TARPTAUTINIŲ OLIMPIADŲ EKSPERIMENTINĖS ELEKTRONIKOS UŽDUOTYS

 

Stanislavas SAKALAUSKAS, Stasys TAMOŠIŪNAS 

Vilniaus universiteto Fizikos fakultetas

Fizikų žinios, 2005, Nr. 28

 

Jau buvo rašyta (Fizikų žinios, Nr. 27, p. 4–6), kad mūsų moksleiviams, kurie ruošiasi tarptautinėms fizikos olimpiadoms, iškyla palyginti daug sunkumų, susijusių su Lietuvos bendrojo lavinimo mokyklų fizikos ir tarptautinių programų neatitikimu. Tai ne vien tik sudėtingesnės teorinės fizikos užduotys, bet ir eksperimentui nustatytu laiku atlikti būtina naudojimosi patirtis šiuolaikiniais matavimo prietaisais; jų mokyklų kabinetuose negausu. Puiku, jei moksleivis kūrybiniame būrelyje, namie ar kitur turi noro ir galimybių eksperimentuoti. Čia pateiktais tarptautinių fizikos olimpiadų užduočių ir papildomo ugdymo mokyklos „Fizikos olimpas“ veiklos pavyzdžiais paryškinsime moksleivių darbo su elektroniniais prietaisais patirties svarbą įveikiant olimpiadų eksperimento užduotis.

Tarptautinių fizikos olimpiadų eksperimento užduočių, susietų su elektronika, yra labai įvairių. Pavyzdžiui, II olimpiadoje (1968 m. Vengrijoje), pasinaudojus dviem avometrais, kintamosios ir nuolatinės įtampų šaltiniais, neatidarant trijų nepermatomų vadinamųjų „juodųjų dėžių“ teko ištirti, koks elementas (tai buvo varžas, kondensatorius, ritė) yra kurioje iš tų dėžių ir nustatyti jų elektrinius parametrus. VII olimpiadoje (1974 m. Lenkijoje) tokioje „juodojoje dėžėje“ buvo du vienodi puslaidininkiniai diodai ir varžas, sujungti į dviejų išvadų grandinę, ir reikėjo nustatyti varžo varžą dviem universalios srovės stiprio ir įtampos matavimo prietaisais, akumuliatorių baterija ir reostatu. VIII olimpiadoje (1975 m. Vokietijoje) teko sudaryti elektrinę grandinę puslaidininkinio prietaiso voltamperinei charakteristikai matuoti ir išnagrinėti sistemines paklaidas. Prieš tai reikėjo aprašyti, kaip galima patikimai apsaugoti prietaisą nuo perkrovų, jo grandinėje su varžu ištirti išėjimo įtampos priklausomybę nuo įėjimo įtampos, nustatyti prietaiso tipą (tai buvo stabilitronas) ir pateikti praktinio panaudojimo pavyzdį. X olimpiadoje (1977 m. Čekoslovakijoje), pasinaudojus harmoninių virpesių generatoriumi, kintamosios srovės ampermetru ir voltmetru, teko atskleisti „juodosios dėžės“, šįkart su trimis išvadais, paslaptį: iš matavimų rezultatų apskaičiuoti pilnutinę varžą plačiame dažnių intervale ir iš jų rasti elektrinius elementų parametrus (dėžėje buvo du kondensatoriai ir varžas, sujungti žvaigžde), įvertinti voltmetru tekančios srovės poveikį matavimo tikslumui. XI olimpiados (1979 m. Sovietų Sąjungoje) dalyvių vėl laukė „juodoji dėžė“ – šįkart su transformatoriumi. XV olimpiadoje (1984 m. Švedijoje) vienoje iš eksperimento užduočių teko nustatyti nežinomos varžos varže išsiskiriančią galią, sujungus jį su diodu ir kondensatoriumi ir pasinaudojus kintamosios srovės generatoriumi ir dviejų spindulių oscilografu. XVI olimpiadoje (1985 m. Jugoslavijoje) vienoje iš eksperimento užduočių reikėjo nustatyti „juodojoje dėžėje“ paslėptų magnetų centrų padėtį ir orientaciją, jų sukuriamo magnetinio srauto tankį. Tai padaryti reikėjo pasinaudojant tokiu pat, kaip ir paslėptieji, nuolatiniu magnetu, nurodyto vijų skaičiaus ir nurodytos varžos matavimo rite, dviem ritėmis magnetinam laukui sukurti, voltmetru, ampermetru, kintamąja varža ir specialios paskirties elektronine schema. Kitoje tos olimpiados eksperimento užduotyje teko ištirti kintamosios srovės variklio disko greitėjimo ir lėtėjimo vyksmus, nustatant sukimo jėgų momento ir variklio galios priklausomybes nuo kampinio greičio, panaudojus tam indukcinį keitiklį ir daugiakanalį sekundmatį su kompiuteriu. XIX olimpiadoje (1988 m. Austrijoje) teko tirti termoelektroninę emisiją ir nustatyti elektronų išlaisvinimo darbą, pasinaudojant Ričardsono formule ir dviejų elektrodų vakuuminiu lygintuvu, universaliaisiais matavimo prietaisais, baterijomis ir varžais, pažymėtais tada daugeliui mūsų neįprastomis spalvotomis juostelėmis. Reikėjo be ommetro nustatyti tų varžų varžas, elektrininės lempos stoties srovės stiprį, esant įvairiai katodo temperatūrai. XX tarptautinės fizikos olimpiados (1989 m. Lenkijoje, čia Lietuvai pirmąkart atstovavo atskira Lietuvos rinktinė) dalyviai tyrinėjo pjezoelektrinius diskus sandariai uždarytuose polietileno maišeliuose su įvairiais skysčiais, panaudodami tam sukalibruotą harmoninių signalų generatorių ir dviejų spindulių oscilografą. Įvertindami paklaidas turėjo nustatyti, kokiam dažniui esant tie diskai labiausiai tinka ultragarso bangoms skystyje sukelti ir registruoti. XXIV tarptautinėje fizikos olimpiadoje (1993 m. JAV) vienoje iš eksperimento užduočių reikėjo nustatyti cilindro formos nuolatinio magneto absoliučią magnetinio momento vertę ir ašinės simetrijos magnetų sistemos magnetinio srauto tankį, darbo pradžioje be įrodymų gavus magneto mažųjų  svyravimų periodo ir aliuminio vamzdelyje įdėtos ašinės simetrijos magnetų sistemos magnetinio srauto tankio formules, panaudojus tam specialiai sukonstruotą aparatūrą. XXV olimpiadoje (1994 m. Kinijoje) – ir vėl „juodoji dėžė“ su trimis pasyviaisiais elementais, kuri buvo tiriama varžu, harmoninių signalų generatoriumi ir dviejų spindulių oscilografu. XXVII olimpiadoje (1997 m. Kanadoje) teko tirti viename gale įtvirtintą bimorfinę plokštelę, sudarytą iš dviejų stipriai sutvirtintų pjezoelektrinės medžiagos sluoksnių, nustatyti laisvojo galo poslinkio priklausomybę nuo įtampos, elektrinę talpą, atsižvelgiant į prarandamą energijos kiekį ir histerezę, tam panaudojant lazerį, multimetrą, potenciometrą, varžus ir įtampos šaltinį. XXIX olimpiadoje (1998 m. Islandijoje) reikėjo tirti sūkurinių srovių magnetinį ekranavimą, nustatant slopinimo koeficiento priklausomybę nuo dažnio, ir magnetinių srautų sąveiką, nustatant ferito santykinę magnetinę skvarbą, pasinaudojus matavimo rite, pasagos formos feritine šerdimi su dviem ritėmis, pasagos formos feritine šerdimi be ričių, funkciniu generatoriumi, dviem multimetrais ir įvairių storių aliuminio folija. Nors eksperimento užduoties aprašyme buvo pateikta naudojimosi prietaisais instrukcija ir teoriniai modeliai, tačiau dėl būtinų atlikti matavimų ir skaičiavimų gausos neliko laiko išmokti naudotis prietaisais ir laimi tie dalyviai, kurie jau turi matavimų patirtį. Multimetrais teko naudotis XXXI olimpiadoje (2000 m. Anglijoje), kai spektrometru iš kompaktinio disko reikėjo tirti fotovaržos laidumo spektrinę charakteristiką ir magnetinio ritinuko judėjimą nuožulniąja plokštuma, ir XXXIII olimpiados (2002 m. Indonezijoje) vienoje iš užduočių elementariojo krūvio ir Bocmano pastoviosios santykiui rasti tiriant vandens elektrolizę.

Mokykloje „Fizikos olimpas“ elektronikai mokyti rudens sesijoje (spalio mėnesį) iki šiol buvo skiriama 6 valandos teorinių paskaitų, o žiemos sesijoje (sausio mėnesį) – 8 valandos teorinių paskaitų ir pratybų. Rudens sesijoje moksleiviai išklauso tokios tematikos paskaitas: elektriniai signalai ir pagrindiniai elektrinių grandinių dėsniai; puslaidininkinės p-n sandūros fizika; puslaidininkiniai diodai; dvipolio tranzistoriaus fizika ir jo jungimo būdai; tranzistoriniai stiprintuvai. Namų darbams skiriamas uždavinukas, kurio sprendimui reikia panaudoti kompleksinio kintamojo funkcijas. Anksčiau buvo bandoma duoti praktinę užduotį (sumontuoti nurodytą elektrinę grandinę, o atvykus į žiemos sesiją, ją išbandyti eksperimentiškai), tačiau moksleiviams toks darbas dažnai nesisekė – ne kiekvienas fizikos mokytojas galėjo pakonsultuoti, patarti. Žiemos sesijoje išklausomos tokios tematikos paskaitos: operacinių stiprintuvų sandara ir ypatumai, įjungimo būdai; skirtuminis stiprintuvas, veikiantis operacinio stiprintuvo pagrindu. Operaciniams stiprintuvams čia skiriamas didesnis dėmesys todėl, kad daugelio šalių vidurinėse mokyklose, gimnazijose moksleiviai su jais supažindinami teoriškai, sprendžiami įvairūs uždaviniai, ypač įtraukiant Vitstono tiltelį. Pratybų metu moksleiviai supažindinami su pagrindiniais matavimo prietaisais (dviejų spindulių oscilografu, harmoninių ir impulsinių signalų generatoriais, varžų ir įtampų matuokliais), jų ypatumais ir savybėmis; susipažįsta ir praktiškai pritaiko pagrindinius matavimų technologijos elementus ir dėsningumus; eksperimentuoja su operaciniu stiprintuvu ir nustato stiprinimo koeficiento, signalui patenkant į invertuojantįjį arba neinvertuojantįjį įėjimą, priklausomybes nuo varžo varžų ir dažnio. Užduotys čia turi būti individualios, nes moksleiviams, neturintiems galimybių mokykloje geriau susipažinti su minėtais prietaisais, reikia daug padėti ir aiškinti. Prieš keletą metų praktinis moksleivių pasirengimas buvo geresnis, todėl ir užduotys buvo duodamos sudėtingesnės, pavyzdžiui, keturpolio „juodojoje dėžėje“ ištyrimas įvairiais matavimo prietaisais, jo perdavimo koeficiento dažninės priklausomybės paaiškinimas.

Su elektronika susijusio eksperimentinio darbo patirtis kaupiama ir fizikos praktikumo pamokose, vykstančiose „Fizikos olimpo“ mokyklą remiančio Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto bendrosios fizikos praktikumo laboratorijose, naudojant patikrintus prietaisus ir įvertinant matavimų paklaidas. Čia pravartu nurodyti tokias elektros laboratorijos darbų temas: induktyvumo ir elektrinės talpos radimas tiriant srovės relaksaciją; feromagnetikų magnetinių savybių ir magnetinio lauko ritėje tyrimas; puslaidininkinio diodo voltamperinės charakteristikos, įtampų ir srovių rezonanso kintamosios srovės grandinėse, slinkties ir laidumo srovių santykio priklausomybės nuo elektrinio lauko dažnio tyrimai.

Kiekvieną mokslo metų ketvirtį mokykloje atliekami ne tik laboratoriniai darbai, bet ir rengiamos mokomosios olimpiados, į kurių programas įtraukiamos tiek originalios (parengus reikalingą įrangą), tiek mintinių eksperimentų užduotys. Tikimės, kad čia nors glaustai pateikti tarptautinių fizikos olimpiadų užduočių ir mūsų darbo pavyzdžiai gali būti naudingi Lietuvos bendrojo lavinimo mokyklų fizikos mokytojams, rengiantiems moksleivius olimpiadoms.