Размеры дисков подбирались так, чтобы при небольшом расстоянии от электрической дуги (примерно 20 см) сплошной диск полностью освещался от отверстия, окружавшего лампу, диаметром 10 см. расстояние от диска до лампы подбиралось так, чтобы не было сильного нагрева диска.
С чувствительным гальванометром А. Г. Столетов обнаружил ток в цепи сплошного диска и сетки даже при очень маленьких значениях напряжения между ними, но при непременном условии, что к освещаемому диску был присоединен отрицательный полюс батареи гальванических элементов, а к сетке – положительный. При малых напряжениях ток возникал при близком расположении электродов (диска и сетки), при более высоких напряжениях ток был заметен даже при расстояниях больше 10 см.
Если освещаемый диск соединялся с положительным полюсом батареи, а сетка с отрицательным, электрический ток в цепи отсутствовал. А.Г. Столетов назвал это свойство наблюдаемого явления – нечувствительности положительных зарядов к световым лучам – униполярностью «актиноэлектрического действия» (именно так называл А.Г. Столетов явление, которое он исследовал).
А.Г. Столетов обнаружил, что на протекание явления существенным образом влияет состояние поверхности металлического диска. Даже плохо окисляемые на воздухе металлы (никель, серебро, платина) давали слабые токи, если их поверхность не зачищалась непосредственно перед проведением эксперимента (хотя на взгляд они выглядели вполне чистыми). Очень трудно, практически невозможно было наблюдать явление с дисками, поверхности которых давно не зачищались или из легко окисляемых металлов, например, цинка. Даже малейший слой окисла существенно влиял на ход явления.
Столетов установил, что источником тока должна была быть именно дуговая лампа – электрическая дуга. С другими источниками света опыт не получался.
В опытах Столетова было выявлено, что действие света – электрический ток – зависит от того, насколько интенсивно освещается электрод. Как писал сам Столетов: «…действие (сила тока) пропорционально напряженности освещения или, лучше сказать, количеству активных лучей».
В опытах применялось и прерывистое освещение диска с помощью картонного круга с семью окошками по секторам (окошки и промежутки между ними были одинаковы по ширине). Картонный круг приводился во вращение с различной скоростью – от одного до одиннадцати оборотов в секунду. Измерения силы тока при таком освещении показали прямую пропорциональную зависимость силы тока от световой энергии, падающей на металлический диск.
Этот опыт с прерывистым освещением дал еще один очень важный результат. Электрический ток обнаруживался даже, если диск освещался очень маленьких промежуток времени – около 1/150 с при самой большой скорости вращения диска. Однако Столетов понимал, что эти результаты не могут дать окончательного ответа на вопрос, обладает ли изучение, вызывающее электрический ток, прерывистыми или непрерывными свойствами.
Удивительно, как со столь несложными с точки зрения современной науки установками А.Г. Столетову удалось обнаружить даже безынерционность фотоэффекта. Это было очень нелегко! А.Г. Столетов сделал вывод о том, что электрический ток возникает практически мгновенно после освещения диска, с помощью хитроумных приспособлений, позволявших очень быстро менять освещенность диска и одновременно очень быстро замыкать и размыкать цепь гальванометра. При этом оказалось, что при всех доступных в опытах скоростях прерывания светового потока и электрической цепи пропорциональность силы тока и энергии света не нарушалась. Столетов сделал вывод о том, что электрический ток «устанавливается мгновенно и в каждый момент соответствует силе освещения.»
Опыты Вавилова С.И. [20].
При рассмотрении данного вопроса можно сообщить учащимся примерно такую информацию.
В 30-ых годах XX в. выдающийся советский ученый Сергей Иванович Вавилов провел опыты по исследованию чувствительности человеческого глаза к слабым световым потокам. Глаз человека не реагирует на один световой квант, однако опыты Вавилова С.И. показали, что необходимое для возникновения светового ощущения число световых квантов, попадающее на сетчатку глаза в одну секунду, незначительно. Наблюдая флуктуации кратковременных световых потоков, Вавилов С.И. установил, что отдохнувший человеческий глаз при кратковременных световых вспышках пороговая чувствительность в среднем составляет 200 квантов в секунду в области максимальной чувствительности глаза (5500 ангстрем). Таково минимальное число квантов света, которое должно попадать в зрачок, чтобы вызвать ощущение света. При этом сетчаткой глаза поглощается примерно в 10 раз меньше квантов света. В этих условиях удается наблюдать флуктуации (колебания) светового потока, подтверждающие квантовый (прерывистый) характер света.
Кроме того, можно опираться на материал, представленный в книге Б.М. Яворского и А.А. Пинского «Основы физики», т. 2. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. Параграф 68.9 и предложить учащимся задачу №45.25, с. 97 из книги А.А. Пинского «Задачи по физике». М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.
Устройство и принцип действия физических приборов и технических устройств
Мультиметр
При выполнении лабораторных работ и работ физического практикума учащихся следует научить работе с мультиметром, прежде всего, при измерении силы тока, напряжения и сопротивления. Разъясняя учащимся, что такое мультиметр, можно сообщить примерно следующее:
«Мультиметр представляет собой электронный универсальный комбинированный прибор, выполненный на основе интегральных микросхем. Это цифровой, а не аналоговый прибор, выражающий значение измеряемой физической величины в цифрах. При плавном изменении физической величины показания прибора меняются скачком, однако «шаг» измерения таков, что данный прибор является более точным по сравнению с аналоговым. Мультиметр позволяет получать значения измеряемой величины с точностью до 6 значащих цифр после запятой.
С развитием технологий изготовления интегральных микросхем габариты и массы мультиметров уменьшаются.
Основные функции мультиметра состоят в измерении силы тока, напряжения и сопротивления. По сравнению с обычным авометром мультиметр измеряет также электрическую емкость конденсатора, тестирует исправность полупроводниковых диодов и транзисторов, может выполнять еще ряд дополнительных функций.
Мультиметр, сопряженный с датчиками-преобразователями физических величин, может измерять температуру, освещенность, уровень звука, ядерное излучение и пр.
Мультиметр легко связать с ЭВМ.»
Можно воспользоваться материалом, представленным в книге «Бурсиан Э.В. Физические приборы. М.: Просвещение, 1984. –С. 165.»
Электромагнитное реле
При изучении магнитного поля следует познакомить учащихся с устройством и принципом действия электромагнитного реле и предложить экспериментальное задание по испытанию действия электромагнитного реле, воспользовавшись, например, описанием лабораторной работы №60 в книге «Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7-11 классах общеобразовательных учреждений./Под ред. В.А. Бурова и Г.Г. Никифорова. М.: Просвещение, 1996 (№ 15 по списку литературы».
Об устройстве реле можно сообщить учащимся примерно следующее:
«Реле – это чувствительное устройство, реагирующее на изменение физических величин. В зависимости от назначения различают реле тока, напряжения, тепловые реле, фотореле, реле времени и др. Существуют максимальны реле, срабатывающие при возрастании контролируемой величины выше номинального значения, и минимальные – срабатывающие при уменьшении контролируемой величины ниже номинального значения.
В цепи автоматических систем реле выполняют функции датчика и исполнительного механизма.
Реле состоит из цепи, воспринимающей действие, и цепи, исполняющей действие. Цепь, воспринимающая действие, получает сигнал в виде повышения или понижения напряжения, возрастании или убывании силы тока. При этом реле срабатывает и замыкает цепь, исполняющую ту или иную функцию: включение, переключение или отключение двигателя или иной электрической установки.
Слово «реле» появилось, когда люди путешествовали на лошадях (в каретах, повозках, санях и пр.). Замена уставших лошадей на станции называлась реле (от французского слова сменять, заменять).
После появления телеграфа стало ясно, что в телеграфной цепи необходимы устройства, восполняющие потери электрической энергии в проводах телеграфной линии. По аналогии со сменой лошадей такое устройство назвали реле.
Так появились электромагнитные реле, которые теперь широко используются в различных автоматических переключателях.
Основа электромагнитного реле – ферромагнитный сердечник с обмоткой из изолированного медного провода. Если в обмотке реле существует электрический ток, сердечник намагничивается и притягивает к себе неподвижную пластину – якорь (эта пластина также изготавливается из ферромагнетика). Изменение положения якоря приводит к замыканию или размыканию цепи, выполняющей какое-либо действие, если с якорем непосредственно связаны контакты в исполнительной цепи. Когда ток в обмотке реле прекращается, специальные контактные пружины, прикрепленные к якорю, возвращают якорь в исходное положение.
Электромагнитные реле применяются на автоматических телефонных станциях, в устройствах автоматики и телемеханики, в измерительных приборах и т.п.
В настоящее время на смену электромагнитным реле приходят электронные.»
Рекомендации к выполнению процессуальной стороны Образовательного стандарта
Рекомендации по обеспечению требований Образовательного стандарта в отношении проведения экспериментальных исследований и измерений
Требования Образовательного стандарта в отношении проведения экспериментальных исследований и различных измерений выполняются на основе фронтальных лабораторных работ и работ физического практикума.