Экскурсии по физике: учебно-профориентационный аспект

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.

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.

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.

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.

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.

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.

В январском номере «Журнала Русского физико-химического общества» (1896) опубликована статья А. С. Попова «Прибор для обнаружения и регистрации электрических колебаний», где была приведена схема и подробное описание принципа действия первого в мире радиоприемника [55, с. 220].

24 марта 1896 года ученый выступил на заседании Русского физико-химического общества, где впервые продемонстрировал процесс передачи сигналов без провода на расстояние 250 метров и передал первую в мире радиограмму, которая состояла из двух слов: «Генрих Герц». Этим он увековечил славу выдающегося немецкого экспериментатора, и с этого времени началась другая история – история развития технологий использования электромагнитных волн человеком.

Различные технические музеи радиотехнической направленности, которые имеются практически во всех регионах РФ (как отдельные музеи, так и музеи промышленных предприятий), радио и телеретрансляторы, сетевые ретрансляторы мобильных сетей и другие объекты, принцип работы которых основывается на использовании электромагнитных волн, куда может быть организована учебная экскурсия, рассказывают о развитии определенных видов радиотехники. Такие экскурсионные занятия ярко демонстрирует школьникам неисчерпаемость законов природы и их применения человеком.

На фоне развития глобальных сетей и портативных телекоммуникационных устройств, социальных сетей и других новшеств в области Интернет-технологий кризис в области обучения астрономии привел к масштабному отвлечению учащихся от космоса и всего, что с ним связано. Не каждый школьник способен дать названия планет Солнечной системы или нашей галактики, объяснить явления солнечного или лунного затмения, смены дня и ночи, приливов и отливов и т.д., что привело к дефициту специалистов, которые занимаются изучением космоса. Экскурсия в обсерваторию может стать толчком к возникновению у школьников интереса к космическим исследованиям и желанию овладеть профессией астрофизика.

Цель экскурсии. Показать школьникам работу радиотелескопа, как устройства, использующего электромагнитное излучение для исследования Вселенной. Раскрыть связь между развитием техники и достижениями науки в области исследования космического пространства.

Познакомить с профессией астрофизика и другими специалистами, обеспечивающими работу радиотелескопа и обсерватории.

Подготовка к экскурсии. Перед посещением радиотелескопа учителю необходимо провести ряд пропедевтических мероприятий, для которых учащиеся могут подготовить доклады или презентации по темам:

1. История создания обсерватории в Симеизе.

2. Эволюция оборудования лаборатории.

3. Открытия, сделанные в обсерватории.

4. История кадровой базы обсерватории.

5. Известные радиотелескопы мира.

6. Интересные факты об обсерватории.

Следует решать количественные и качественные задачи и с использованием характеристик радиотелескопа, например, следующего характера:

1. Астрофизик, наблюдая за солнечной активностью, получил сигнал о корональном выбросе через 8 минут 20 секунд. Определить по этим данным расстояние от поверхности Солнца до Земли? За какое время масса коронального выброса дойдет до поверхности Земли, двигаясь со скоростью 400 км/с?

2. С какой минимальной частотой нужно посылать сигналы, чтобы отслеживать движение Луны вокруг Земли?

3. Какое соотношение емкости конденсаторов и индуктивности катушек колебательного контура РТ-22?

4. Определить длины радиоволн изучения Солнца.

Предложить учащимся ответить на ряд вопросов:

1. Специалисты каких профессий обслуживают обсерваторию?

2. С какими устройствами по принципу действия радиотелескоп действует также?

3. Каким образом, по вашему мнению, регулируется и корректируется направление действия радиотелескопа?

4. В чем заключается отличие радиотелескопа от оптического телескопа?

Симеизская обсерватория – одна из самых интересных с научной и познавательной точек зрения, достопримечательностей Южного берега Крыма. Расположена она недалеко от Симеиза, сразу за горой Кошка. Географические координаты Симеизской обсерватории на карте Крыма: GPG N 44.397884, E 33.979499.

История Симеизской обсерватории началась в 1906 году. Известный меценат и один из богатейших людей Симеиза – Н. С. Мальцев построил на своей даче небольшую обсерваторию для наблюдения за звездным небом. Новое хобби захватило Н. С. Мальцева, и уже в 1908 году он подписывает документы на дарственную своих земель под строительство новых телескопов Пулковского филиала Российской Академии наук. Вплоть до революции 1917-го года, Н. С. Мальцев, вместе с учеными открывает множество планет и комет. После революции эмигрирует со всей семьей, и Симеизская Обсерватория переходит в собственность рабочих и крестьян. В 1925 году Обсерватория получает один из самых мощных телескопов Европы того времени, построенный в Англии – метровый рефлектор. Симеизская Обсерватория становится кузницей кадров для всего Советского Союза. В ней ежегодно открываются новые планеты, изучается солнечная активность, коронарные всплески и многое другое.

В военные годы, обсерваторию полностью разграбили фашисты и, практически, все оборудование вывезли в Германию. Лишь в 1947 году, оборудование достаточно плачевном состоянии возвращается в Симеиз.

Рис. 13. Радиотелескоп РТ-22. Симеизской астрофизической обсерватории

За время работы Симеизской Обсерватории было обнаружено свыше 150 новых туманностей, свыше 150 астероидов и 8 новых комет. Работы по изучению звездного неба продолжаются и, возможно, обсерватория порадует новыми открытиями и достижениями.

В обсерватории было сделано огромное количество открытий, имеющих глобальное значение для мировой науки. Сейчас в обсерватории есть лазерный дальномер, их во всём мире совсем немного. Симеизский работает для НАСА. Данные с него используются для коррекции орбит спутников. Так же дальномер используют для наблюдения за движениями тектонических плит. В обсерватории находятся различные лаборатории: Физики Звезд и Галактик, Физики Солнца, Гамма Астрономии, Межведомственный центр коллективного пользования радиотелескопом РТ-22 (рис. 13). В Симеизской астрофизической обсерватории было сделано огромное количество открытий, имеющих глобальное значение для мировой науки [48].

На верхней площадке обсерватории в 1975 году Астросовет создал Симеизскую станцию лазерной локации ИСЗ. Рядом с ней в 1988 году была создана еще одна станция лазерной локации ИСЗ «Simeiz-1873» оснащенная метровым телескопом.

– открытие 150 ранее неизвестных туманностей (каталог Simeiz);

– 15 сентября 1911 года С. И. Белявский открыл относительно яркую комету;

– на Симеизской обсерватории было открыто 149 астероидов и 8 комет;

– управление аппаратом Луна-3 и приём первых в истории снимков обратной стороны Луны.

– РТ-22 можно было увидеть на заставке «Новостей» на первом канале в советское время;

– РТ-22 является местом действия в детском художественном фильме «Тайна железной двери» (1970). Большинство эпизодов фильма, происходящих на острове волшебника, сняты возле Симеизской обсерватории;

– 102-см рефлектор был крупнейшим телескопом в Европе и СССР на момент установки (1925 год) и первым телескопом, превысившим диаметр метр в СССР;

– несмотря на то, что обсерватория обладала очень маленьким астрографом (120 мм), по числу наблюдений малых планет и открытых астероидов Симеиз занимал второе место в мире в довоенное время (с 1912 по 1914 года), уступая только Гейдельбергской обсерватории (Германия), у которой был астрограф с объективом 500 мм.

В 1954 году на Ленинградский Металлический завод (ЛМЗ) поступил заказ на разработку и изготовление опорно-поворотного устройства радиотелескопа. В КБ завода увидели возможность пристроить готовый, но ставший не нужным флоту проект и значительно сэкономить время и средства. Вес гигантской антенны все же значительно уступал весу бронебашни (2087 тонн), что только положительно сказалось на ресурсе механизмов. Действительно, привод работает около полувека без серьезного ремонта. Периодической доработке подвергалась лишь система наведения.

Изначально установленная аналоговая схема обеспечивала автоматическое наведение с погрешностью до 3 угловых минут. Корректировка производилась оператором с помощью оптического телескопа, ось которого совпадала с осью антенны. Однако последнее было возможно только ночью и при условии ясной погоды. В дальнейшем систему неоднократно модернизировали, автоматизировав не только наведение и слежение, но и весь радиоастрономический эксперимент в целом.

Ценна радиоастрономическая станция «Симеиз» не только научными возможностями. Это уникальный технический комплекс и исторический объект, впитавший в себя технические достижения и непростые судьбы XX века [3].

На территории обсерватории привлекают внимание старинные башни для телескопов. Само здание обсерватории, построенное на рубеже 1920-1930 годов в стиле конструктивизма, считается историческим памятником. На фасаде здания имеются мемориальные доски в память исследователей, трудившихся в обсерватории.

Крымская астрофизическая обсерватория оказала большое влияние на развитие поселка Кацивели, как и отдел радиоастрономии. В 1966 году здесь был установлен радиотелескоп с диаметром зеркала 22 метра (РТ-22). В 1969 году были осуществлены первые в мире межконтинентальные РСДБ-наблюдения. С 1980 года радиоастрономическая станция «Симеиз» включена в Международную РСДБ (радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами) сеть.

Радиотелескоп РТ-22 представляет собой рефлектор (диаметр зеркала 22 м) на альтазимутальной монтировке. Приемная система позволяет наблюдать радиоволны длинной до 2 мм. Управление радиотелескопом осуществляется с помощью системы, состоящей из персонального компьютера, кварцевых часов и другого оборудования и программного обеспечения. Система управления позволяет следить за источником в двух режимах: автоматическом и автономном. Все параметры наблюдений, такие как координаты и скорость антенны, показания радиометров и др., выводятся на экран монитора в автоматическом режиме.

Радиотелескоп не имеет купола. Низкочастотное оборудование, записывающие и управляющие системы находятся в отдельной лаборатории в 30 метрах от радиотелескопа. Основные направления исследований:

▶ РСДБ наблюдения международные РСДБ-наблюдения в рамках астрофизических, геофизических и радиолокационных проектов на частотах 326, 612 МГц, 1.6, 2.3, 5.0, 8.4 и 22 ГГц. При этом используются водородный стандарт частоты со стабильностью 10-14 в интервале 1-24 часа и системы регистрации Мark-5 и NRTV;

▶ многочастотный мониторинг активных ядер галактик (АЯГ). Проводится регулярный мониторинг на частотах 22.2 и 36.8 ГГц.

▶ исследования солнечной и звездной активностей. На станции ведутся наблюдения Солнца и звезд на частотах 8.6, 10.7, 13.3, 15.4, 22.2 и 36.8 ГГц. Регистрируются I (интенсивность), V (круговая поляризация), параметры Стокса (величины, описывающие вектор поляризации электромагнитных волн, введенные в физику Дж Стоксом в 1852 году).

▶ наблюдения молекулярных линий в миллиметровом диапазоне. Проводятся наблюдения молекулярных линий мазерных источников, областей звездообразования и др. внутригалактических объектов на частотах 1.6-1.8 ГГц (ОН мазеры), 4.6-5.1 ГГц (ОН мазеры), 22.2 ГГц (Н2О мазеры) и в диапазоне от 85-115 ГГц (тепловое излучение различных молекул) [21].

Этот рассказ на экскурсии по астрофизической обсерватории раскрывает методы и особенности работы астрофизиков, занимающихся фундаментальными исследованиями Вселенной. Работа важная, кропотливая и, даже, где-то романтичная.

Такая экскурсия реальна для школьников Республики Крым и Южного федерального округа. Для учителей физики и астрономии этих регионов может стать одной из форм проведения внеклассной работы, а для учащихся отдаленных от Крыма регионов данную экскурсию реально провести в виде виртуальной.

Рефлексия. Рефлексивная деятельность учащихся после экскурсии может быть проведена при помощи различных образовательных технологий:

• составление и решение количественных и качественных задач на основе физико-технических характеристик радиотелескопа и данных о космических объектах, в том числе и изобретательских;

• подготовка виртуальной экскурсии к радиотелескопу для размещения на информационных порталах и в социальных сетях для учащихся, не имеющих возможности посещения радиотелескопа;

• выполнение проектов по анализу исследований космоса с помощью радиотелескопов отечественными и зарубежными астрономами и астрофизиками;

• игровые презентации и соревнования, например, команда американских астрофизиков против российских на тему: «Чей радиотелескоп совершил больше полезных открытий?»;

• презентации на темы: «Моя профессия астроном!», «Моя профессия космонавт!», «Моя профессия астрофизик!»;

• для любителей радиотехники и моделирования будет интересен проект по миниатюрному моделированию, как всей астрофизической лаборатории в целом, так и РТ-22, в частности.

• проведение анкетирования или опроса о том, что изменилось в сознании учащихся по отношению к представленным профессиям и той деятельности, которую они осуществляли до, во время и после экскурсии.

Экскурсия к радиотелескопу – яркое и впечатляющее событие, не оставляющее учащихся равнодушными, как к астрономии и достижениям наших ученых по использованию радиоволн в области исследования Вселенной, так и побуждающее интерес к тайнам космоса.

Учебная экскурсия в обсерваторию, как и перечисленные технологии, используемые при рефлексии, оказывают влияние на профессиональное самоопределение учащихся. Это может быть косвенное влияние на развитие заинтересованности школьников к таким специальностям как программист, инженер-конструктор, web-дизайнер и др.