Дрмеян Генрик Рубенович
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики, технологии и методики их обучения, Гюмрийский государственный педагогический институт имени М. Налбандяна, г. Гюмри, Армения
drm-henrik@mail.ru  

Цатурян Армен Мишаевич
кандидат педагогических наук, доцент кафедры физики, Ванадзорский государственный педагогический институт имени О. Туманяна, профессор Российской академии естествознания (РАЕ), директор Ванадзорской спецшколы с углубленным обучением математики и естественным дисциплинам, Армения, г. Ванадзор, Армения
evrika24@rambler.ru 

Об использовании моделей устройств в целях повышения интереса к изучению физики у школьников (на примере изучения электрогидравлического эффекта)

Аннотация
В работе, представлена методическая разработка конкретного материала, которая, как яркий пример интеграции науки и образования, призвана способствовать развитию познавательных интересов учащихся и активизации их творческой деятельности, в результате приводя к  повышению качества обучения. Приведено объяснение электрогидравлического явления, описаны строение  и принцип работы предложенной действующей модели электрогидравлического насоса. 

Ключевые слова:
электрогидравлическое явление, плазма, ударная волна, разряд, жидкость 

Последовательная реализация концепции “Образование как учебная модель науки” призвана обеспечить развитие мышления и творческих способностей учащихся, повысить интерес к изучению дисциплин. Среди предметов изучаемых в школе, физика занимает особое место. Содержание материала, используемого в ходе ее преподавания, в условиях стремительного прогресса науки должно постоянно обновляться. Это достижимо при обращении к дополнительным документальным материалам, демонстрации новейших технологий, самодельным приборам и новым демонстрационным экспериментам. Это, как представляется, существенно облегчает усвоение физических понятий, законов и способствуют формированию устойчивого интереса к предмету. 

В качестве иллюстрации приведем пример изучения темы «электрогидравлический эффект» с использованием прибора - электрогидравлического насоса, принцип действия которого основан на электрогидравлическом эффекте. Вначале учитель дает объяснение этого эффекта, отмечая, что электрогидравлический эффект имеет широкое применение в машиностроении, горной промышленности,  медицине и электротехнике.   

Сущность эффекта состоит в том, что вокруг зоны специально сформированного импульсного электрического разряда внутри объема жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, возникают сверхвысокие гидравлические давления, способные совершать механическую работу [1, 2].  

В процессе гидравлического эффекта происходит мгновенное (10-100 мкс) выделение энергии (накопленной, например, в конденсаторной батарее) посредством импульсного разряда в жидкости. При разряде образуется плазменный канал с температурой 15-30 тыс. К [3, 4]. В канале, имеющем небольшое поперечное сечение, происходит интенсивный локальный разогрев жидкости. При этом в нем концентрируется энергия перегретого ионизированного газа и пара. Быстрое расширение канала разряда в виде парогазовой полости (пузыря) под действием внутреннего давления создает в окружающей несжимаемой среде (жидкости) волны сжатия и импульсы давления. При интенсивном выделении энергии в канале скорость его расширения может превысить скорость звука в жидкости, тогда волна сжатия превращается в ударную волну. Расширение полости продолжается до тех пор, пока давление в ней из-за инерции расходящегося потока жидкости не станет меньше давления внешней среды. С этого момента происходит обратное движение жидкости (полость захлопывается), давление газа в ней резко возрастает и процесс повторяется в виде нескольких постепенно затухающих пульсаций. Таким образом, электрогидравлический эффект возникает, когда осуществляется разряд в жидкости [5, 6].    

После объяснения сущности электрогидравлического эффекта учитель константирует, что обсуждаемое явление  может рассматриваться в следующей последовательности: электрический пробой и образование канала разряда, выделение энергии в канале, расширение полости, сопровождающееся генерированием импульса давления c образованием расходящегося потока жидкости, пульсация полости.

 

Рис. 1. Внешний вид модели электрогидравлического насоса.

Затем, как конкретный пример применения этого явления, обсуждается изготовленная и опробованная нами модель электрогидравлического насоса (рис.1). 

Со строением и принципом работы поршневого гидравлического насоса ученики познакомились еще в 7-ом классе. К этому вопросу, имеющему большой интерес с точки зрения его практического применения, можно обратиться и в 11-ом классе при изучении темы “Плазма”, где говорится о некоторых применениях плазматрона. Напоминая ученикам о поршневых гидравлических насосах, учитель отмечает, что, в отличие от этих насосов, с помощью которых поднятие жидкости происходит под воздействием атмосферного давления, для поднятия жидкости с больших глубин можно использовать и насосы другого типа, принцип работы которых основан на электрогидравлическом явлении. Имея в виду, что ученики уже знакомы с этим явлением, переходим к изучению строения и принципа работы изготовленной нами действующей модели электрогидравлического насоса с помощью схемы, приведенной на рис.2.  

После включения источника питания конденсатор заряжается, и напряжение на его обкладках увeличивается. По достижении напряжения пробоя в искровом разряднике возникает искра. В то же время возникает искровой разряд и в промежутке между электродами, находящимися в жидкости. Искровой разряд в свою очередь возбуждает ударную волну, которая с большой скоростью распространяется во все стороны и несет с собой жидкость, находящуюся в насосе. Жидкость, движущаяся вниз, сжимает клапан и закрывает нижнее отверстие, а под давлением жидкости, движущейся вверх, открывается клапан A, и жидкость переходит в верхнее пространство, то есть в трубу D. До возникновения следующего искрового разряда под давлением жидкости, накопленной в трубе D, клапан A закрывается, а клапан B открывается с помощью атмосферного давления (на свободной поверхности жидкости), и свободное пространство между клапанами снова заполняется жидкостью. Описанные процессы в течение последующих искровых разрядов повторяются, и создается возможность поднять жидкость на довольно высокий уровень.

 

Рис.2. Действующая модель электрогидравлического насоса.

Наш опыт преподавания физики убеждает нас в том, что подобное использование современных технических приборов и устройств существенно повышает интерес учащихся к предмету и степень их понимания физических законов, лежащих в основе работы этих устройств.  Особенно, если опытные образцы приборов были изготовлены при участии самих учащихся.

Литература

1. Физика. Большой энциклопедический словарь. - М: Большая Российская  энциклопедия, 1999,- С.90, 460.

2. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская  энциклопедия, 2000,- С. 20, 231, 460.

3. Кадомцева Б. Б., “Гидромагнитная устойчивость плазмы”. Сборник “Вопросы теории плазмы’’, выпуск 2, Москва, 1963.

4. Арцимович Л.А., “Элементарная физика плазмы”, Изд-во “Атомсиздат”, Москва 1969.

5. Куликовский А.Г., Любимов Г.А. “Магнитная гидродинамика’’ Госиздат, физико-математической литературы, Москва 1962.

6. Мирдель Г., “Электрофизика”, Изд-во “Мир” 1972.

Рекомендовано к публикации:
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной Коллегии

_____

Henrik R. Drmeyan
Doctor of technical sciences, head of the department of physics, technologies and methods of their teaching at State Pedagogical Institute of Gyumri after M. Nalbandyan, Gyumri, Armenia
drm-henrik@mail.ru  

Armen M. Tsaturyan
candidate of pedagogical sciences, docent  in the department of physics of Teachers’ Training Institute of Vanadzor after Hovhannes Tumanyan, principle of special school for profound teaching of mathematics and sciences, Vanadzor, Armenia
evrika24@rambler.ru  

Integration of science and education as a means of Physics teaching quality improvement

In this paper for the teachers of Physics а methodological development of specific material is proposed which, as a clear example of integration of science and education, is worked out to promote the development of students' cognitive interest and enhance their creativity resulting in improvement of education quality. The explanation of electro hydraulic phenomenon is brought and the working principles and the construction of suggested acting models of electro hydraulic pump are described.  

Key words:
electro hydraulic phenomenon, plasma, impact wave, discharge, liquid