Проаналізуємо ще один приклад застосу-вання елементів наукового дослідження при розв’язуванні задачі типу “чорної скриньки”.

Задача . Дано “чорна скринька” з клемами А і В. За допомогою джерела струму (гальваніч-ний елемент з = 1,5 В) і амперметра визначити, яке електричне коло міститься в середині “чорної скриньки”.

Розв’язання

Щоб отримати факти, на основі яких можна було б висунути припущення (гіпотезу) про вміст “чорної скриньки”, потрібно спочатку запланува-ти різні варіанти експериментального досліджен-ня, враховуючи умову задачі, що дано лише амперметр і джерело струму.

Очевидно, після обдумування тут можливі такі варіанти дослідження:

1. Приєднати послідовно амперметр і джерело струму до клем АВ “чорної скриньки” і виміряти силу струму.

2. Поміняти полярність джерела струму і знову виміряти силу струму.

3. Оскільки в умові задачі відсутні будь-які застереження, то можна лише один амперметр приєднати до клем “чорної скриньки”, щоб виявити, чи є джерело струму всередині скриньки. Залежно від конструкції скриньки можливі різні випадки результатів вимірювань. Дослідимо два з них:

1. Нехай при зміні полярності джерел струму амперметр показав зменшення сили струму в 2 рази (І1=1А ; І2=0,5А), напрям струму не змінився.

У цьому випадку зрозуміло, що в “чорній скриньці” має бути джерело струму з х> (інакше при перемиканні полярності зовнішнього джерела струму напрям струму має змінитися на протилежний). Найпростіше можливе коло в цьому випадку складатиметься: батарейка з х і послідовно з нею резистор Rx. Тоді за першими двома дослідженнями маємо:

де х – електрорушійна сила батарейки; – електрорушійна сила зовнішнього джерела.

Розв’яжемо отриману систему рівнянь шляхом ділення лівих і правих частин:

2x – 2 = x+ ;

x = 3, отже х = 4,5В

До Rx може належати і внутрішній опір батарейки. Перевірити достовірність отриманого результату розв’язку можна експериментально, приєднавши до клем “чорної скриньки” амперметр. Він повинен наближено показати силу струму І = 0,75А.

2. Нехай при зміні полярності джерела струму сила струму зменшується вдвічі (І1=1А; І2=0,5А) і напрям струму змінюється на протилежний. Очевидно, в цьому випадку можливі різні схеми елементів у “чорній скриньці”:

а) Якщо всередині “чорної скриньки” є батарейка, то її електрорушійна сила повинна бути меншою від електрорушійної сили джерела, х < .

;

2 – 2х = + х;

x=1/3; отже x= 0,5В,

RX = 2 Ом.

Для перевірки при підключенні до клем “чорної скриньки” амперметра сила струму наближено повинна дорівнювати:

І1 = 0,25А.

Мал. 5

б) Результат вимірювань буде однаковий, якщо в “чорній скриньці” вміщено резистори і діоди, простіші схеми з’єднання яких показано на малюнку.

У першій схемі лівий ряд відкритий, а правий закритий, сила струму

, звідки , Rx = 3Ом.

Якщо полярність зовнішнього джерела змінити, то лівий діод закриється, а правий відкриється, і сила струму:

,

тобто сила струму зменшиться в 2 рази, і напрям струму зміниться на протилежний.

У схемі 2 діод відкритий і обидва опори ввімкнено паралельно, тоді сила струму:

; звідки Rx = 3Ом.

Якщо полярність зовнішнього джерела струму змінити, то діод закриється і струм буде проходити лише по одному правому резистору Rх: І2=/Rx; І2=0,5А, тобто сила струму зменшиться в 2 рази, але напрям струму зміниться на протилежний.

Якщо до клем “чорної скриньки” безпосередньо підключити амперметр, то він струму не покаже, отже, це свідчить про відсутність батарейки в “чорній скриньці”.

Отже, з розв’язку цієї задачі можна зробити висновок, що в процесі дослідження структури “чорної скриньки” використовуються елементи наукового дослідження: від достовірних фактів, що дають вимірювальні прилади, до висунення різних гіпотез (схем вмісту “чорної скриньки”), а потім до наслідків, які перевіряються експериментально. Це сприяє розвитку в студентів навиків наукового дослідження.

Наведемо приклади набору задач типу “чорної скриньки”, розроблені і виготовлені членами науково-методичного гуртка, які можна рекомендувати для творчої праці з учнями та студентами.

Задача 3. За допомогою омметра дослідити “чорну скриньку”, яка має дві вхідні клеми і перемикач на три положення.

Задача . Дослідити “чорну скриньку” за допомогою батарейки для кишенькового ліхтарика та шкільного вольтметра.

Задача . Застосовуючи вольтметр визначити, які елементи електричного кола є в “чорній скриньці”. Намалювати можливі варіанти схеми кола.

Задача . За допомогою омметра дослідити “чорну скриньку”. Накреслити можливі варіанти схеми кола.

Задача . Вивчити “чорну скриньку”, застосувавши джерело живлення постійної напруги, яке можна приєднувати лише до будь-яких двох клем різного кольору.

Задача . Дослідити “чорну скриньку” за допомогою батарейки для кишенькового ліхтарика та шкільного амперметра, з’єднавши їх послідовно між собою і будь-якими двома клемами досліджуваної скриньки. Накреслити можливі варіанти схеми кола.

Задача . Дослідити схему з’єднання електричних лампочок, застосовуючи джерело живлення постійної напруги.

Задача . Вивчити “чорну скриньку” за допомогою джерела постійної напруги, яке можна приєднати лише до клеми 1 і будь-якої іншої.

Задача . Дослідити багатоваріантну “чорну скриньку – комплекс” за допомогою омметра.

Розглянуті конструкції “чорних скриньок” і методику їх розв’язування можна успішно застосовувати в школі і вузі для активізації пізнавальної діяльності учнів та студентів, що сприятиме розвитку їх творчого мислення, стилю наукового дослідження.

Виготовляти їх можна власними силами із широкодоступних, дешевих матеріалів, зовнішній вигляд може бути довільний згідно фантазії, а наведені схеми вмісту також можна змінювати і ускладнювати.

Література