|
Реферат: Навчальний експеримент у системі вивчення фізики в середній школі (Физика)
§ 1. Система шкільного експерименту з фізики
Навчальний експеримент у школі є основою вивчення фізики. Без
перебільшення можна сказати, що якість знань і практичиа підготовка учнів з
фізики перебувають у прямій залежності від якості фізичного експерименту.
Шкільний фізичний експеримент підводить учнів до розуміння сучасних
фізичнпх методів дослідження, виробляє у них практнчні вміння і навички.
Під системою навчального експерименту розуміють сукупність
взаємопов’язаних предметів навчального обладнання, методів і методичних
прийомів, що відповідають домінуючій концепції навчання і виховання.
Пройшовши тривалнй шлях розвитку, шкільний фізичний експеримент
перетворився з окремих дослідів у струнку снстему навчального експерименту,
яка охоплює такі його види:
1) демонстраційпі досліди, виконувані вчителем;
2) фронтальні лабораторні роботи;
3) роботи фізичного практикуму;
4) експериментальні задачі;
5) позакласні досліди,
Усі ці види шкільного фізичного експерименту підпорядковані загальній
меті навчання і виховання. Проте, крім цієї загальної мети, кожен вид
навчального експерименту має більш вузьке цільове призначення, свої
особливості в методиці і техніці проведення експерименту.
§ 2. ЗМІСТ І ЗНАЧЕННЯ ДЕМОНСТРУВАНЬ 3 ФІЗИКИ
Під демонструваннями з фізики розуміють покази фізичних явищ і
зв’язків між ними. Демонстрування звичайно поділяють на дві групи:
демонстрування самих фізичних явищ і демонстрування засобів унаочнення
(моделей, плакатів, слайдів та ін.). Обидві ці групи демонструвань взаємно
доповнюють одна одну, але основою для педагогічного процссу є перші з них,
тобто демонстрування дослідів.
Демонстрування дослідів — активний цілеспрямований процес, у ході
якого вчитель керує відчуттямп та сприйманнями учнів і на їх оспові формує
певні поняття й переконання.
Метод і завдання демонструвань можуть бути різними. Здебільшого їх
застосовують при розв’язуванні таких дидактичних завдань:
а) створення початкових уявлень про фізичні явища (наприклад,
демонстрування механічних рухів, теплової дії струму);
б) формування фізичних понять;
в) встановлення функціональних залежностей між величинами
(демонстрування залежності опору провідників від температури, залежиість
прискорення тіла від його маси та ін.);
г) підведення учнів до розуміння сучасних фізичних методів до-
слідження (осцилографічного, стробоскопічного, спектрального та ін.);
д) показу практичного застосування фізичних законів в інших науках і
техніці;
е) розкриття принципів, покладених в основу деяких технологічних
процесів (електрофарбування, електроіскрова обробка матеріалів, міднення та
ін.);
є) показу в мініатюрі природних явищ (грім, блискавка, північне сяйво,
райдуга);
ж) формування практичних умінь і навичок у поводженні з фізичною
апаратурою.
Демонстрування дослідів завжди пов’язане з відповідними поясненнями
вчителя. У зв’язку з цим важливого значення набуває доцільне поєднання
класного експерименту із словом учителя. Відомий педагог професор Л. В.
Занков визначив чотири форми поєднання слова вчителя і демонстраційного
експернменту.
І ф о р м а. Учні дістають навчальну інформацію, спостерігаючи дослід,
у процесі проведення якого вчитель дає відповідні вказівки і пояснення,
спрямовуе в бажаному напрямі розумову діяльність учнів.
ІІ ф о р м а. Учитель, спираючись на спостереження учнями наочних
об’єктів і на наявні у них знання, веде їх до усвідомлення і формування
таких зв’язків у явищах, яких учні самостійно не можуть побачити в процесі
сприймання.
ІІІ форма. Відомості про об’єкт, що вивчається, учні дістають від
вчителя, а засоби унаочнення і досліди є підтвердженням або конкретизацією
словесних повідомлень.
ІV ф о р м а. Спираючись на відомості, одержувані учнями в процесі
спостереження, учитель повідомляє про такі зв’язки між явищами, які
безпосередньо учнями не спостерігаються, або робить висновок, об’єднуючи,
узагальнюючи окремі результати спостережень.
Експериментально встановлено, що більш міцні й свідомі знання дають І
і ІІ форми поєднання демонструвань і слова вчителя. Тому цим формам слід
надавати перевагу над іншими при проведенні демонстраційного експерименту з
фізики.
§ 3. ОСНОВНІ ВИМОГИ ДО ДЕМОНСТРАЦІЙНИХ ДОСЛІДІВ 3 ФІЗИКИ
Демонстраційний дослід передає інформацію в основному за допомогою
зорових образів, тому забезпечення доброї видимості під час демонструвань —
одна з найважливіших вимог до нього. Ігнорування цієї вимоги, як правило,
приводить до порушення дисципліни і втрати учнями інтересу до питань, що
розглядаються на уроці. Потрібна видимість забезпечується відповідним
конструюванням приладів, розміщенням їх, а також застосуванням деяких
спеціальних заходів і прийомів, вироблених практикою викладання (про це
мова йтиме далі).
Не менш важливою вимогою до демонстраційного експернменту є наочність
його. Під «наочністю» розуміють чітку й зрозумілу постановку досліду. Для
цього слід складати найбільш прості установки, використовувати уже знайомі
учням прилади. Учитель завжди повинен намагатися досягти потрібного
результату найпростішими засобами.
Кожне демонстрування має бути переконлнвим, не викликати сумнівів у
достовірності здобутих результатів. Тому, проводячи демонстраційний дослід,
треба повністю виключати або зводити до мінімуму різні побічні явища, які
можуть відвертати увагу учнів від основного. Для цього інколи доводиться
проводити додаткові досліди. Наприклад, проводячи досліди з тілами різних
мас, треба пасамперед переконати учнів у тому, що тіла справді мають різну
масу.
Психологічні дослідження показують: чим сильнішою буде дія досліду на
органи чуттів, тим міцніше він запам’ятовується. Тому демонстраційні
досліди мають бути достатньо емоційними для збудження в учнів почуттів
«здивованості», «захоплення», «незвичності», тобто почуттів, необхідних для
виникнення проблемної ситуації.
Одним з найважливіших факторів педагогічного процесу є раціональне
використання часу. Вчителеві завжди потрібно стежити, щоб темп виконання
досліду відповідав темпу сприймання учнями демонстраційного матеріалу.
Значно зекономити час на уроці можна в процесі попередньої підготовки
досліду вчителем. Наприклад, тривалість кипіння води при зниженому тиску
можна значно скоротити, якщо воду брати не холодну, а заздалегідь
підігріту.
Важливою методичною вимогою до демонстраційних дослідів є їх
надійність. Невдале демонстрування завжди порушує нормальний хід уроку,
підриває авторитет учителя і призводить до дезорганізації роботп в класі.
Надійності дослідів добиваються ретельною підготовкою їх, багаторазовою
перевіркою, вибором найбільш вдалих приладів і деталей.
Проведення дослідів має сприяти естетнчному вихованню учнів. Критерієм
естетичності досліду є насамперед якість створення по-трібних ефектів для
правильного формування уявлень про виучуване явище.
Проведення будь-якого досліду повинне здійснюватись при суворому
дотриманні правил техніки безпеки.
§ 4. ФРОНТАЛЬНІ ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ І ФІЗИЧНІ ПРАКТИКУМИ
Програмами з фізики для середньої школи значна частина навчального
часу відводиться на самостійне виконання учнями лабораторних робіт. При
вивченні окремих питань програми учні під безпосереднім керівництвом
учителя внконують фронтальні лабораторні роботи. Особливістю їх є те, що
всі учні класу одночасно виконують ту саму роботу. Це полегшує працю
вчителя на уроці, даючи йому можливість оперативно керувати діяльністю
учнів, конт-ролювати хід виконання роботи на кожному її етапі. Залежно від
змісту і складності фронтальної лабораторної роботи на виконання її може
бути відведено від 5 до 45 хв. Наприклад, при вивченні фізики в 7 класі
лабораторна робота «Одержання зображень магнітних полів» може бути виконана
всього за кілька хвилин, а на виконання роботи «Визначення ефективності
установки з електричним нагрівником» потрібно відвести цілий урок.
Одним з видів навчального експерименту є фізичні практикуми, до яких
включаються складніші лабораторні роботи, які можуть бути проведені в кінці
великих розділів. Особливістю фізичних практикумів є те, що при проведенні
їх учні одночасно виконують різні роботи. Фізичні практикуми, як і
фронтальні лабораторні роботи, учні виконують індивідуально або групами
(2—3 учні) залежно від конкретних умов школи, укомплектованості її
фізичного кабінету.
Виконуючи фронтальні лабораторні работи, учні досліджують чи
розглядають одне або невелику кількість споріднених питань. Якщо
проводяться фізичні практикуми, то в них треба включати ширше коло питаиь,
які стосуються всього розділу або навіть різних розділів.
Кількість вказаних у програмах лабораторних робіт, як і де-
монстраційних дослідів, є обов’язковою. Але вчителеві дається право залежно
від умов школи, рівня підготовки учнів певного класу, методики вивчення
матеріалу, якої дотримується вчитель, замінювати лабораторні роботи
рівноцінними їм або більш ефективними. Обов’язковими є також організаційні
форми проведення лабораторних робіт: передбачені програмами фронтальні
роботи повинні виконуватись фронтально. Бажано, звичайно, розширити
кількість фронтальних лабораторних робіт, якщо для цього є відповідне об-
ладнання і роботи органічно вплітаються в процес вивчення того чи іншого
матеріалу. Особливо це слід робити при вивченні тих розділів, в яких
кількість фронтальних робіт, передбачених програмами, незначна.
Важливою вимогою програм є обов’язкове використання часу, що
відводиться на фізичні практикуми, за прямим призначенням. У програмах
подано перелік робіт фізичного практикуму і вказується час, відведений на
виконання їх. Наприклад, у 9-му класі на виконання робіт практикуму
відведено 16 годин і є перелік 19 робіт. Учитель може вибрати для
проведення 8 робіт, розрахованих на 2 години кожна, а може поставити 16
одногодинних робіт. Зрозуміло, що список таких робіт учитель може дещо
розширити, якщо для цього є відповідне обладнання й оригінальні дидактичні
ідеї.
У більшості шкіл фізичні практикуми проводять наприкінці навчального
року, але при відповідному обладнанні фізичних кабінетів такі практикуми
логічно проводити після вивчення великих розділів програми. У 9 класі,
наприклад, один практикум доцільно виконати наприкінці вивчення питань
молекулярної фізики, а другий—наприкінці вивчення електродинаміки. У 10
класі один практикум можна провести після вивчення теорії коливань, а
другий — після вивчення оптики, атомної і ядерної фізики, Це дасть
можливість тісніше пов’язати фізичні практикуми з вивченням певного кола
питань, їх узагальненням і закріпленням.
Основна мета лабораторних робіт: ознайомити учнів з експе-риментальним
методом дослідження фізичних явищ; формувати розуміння принципів
вимірювання фізичних величин, оволодіти способами і технікою внмірювань, а
також методами аналізу похибок.
§ 5. РОЛЬ ЕКСПЕРИМЕНТУ В ПРОЦЕСІ ВИВЧЕННЯ ФІЗИКИ В ШКОЛІ
Навчальний фізичний експеримент — одна з найважливіших ділянок у
системі оволодіння матеріалом фізики. Аналіз дидактичних можливостей
навчального експерименту показує, що він може бути використаний на різних
етапах вивчення матеріалу та з різною дидактичною метою.
Розглянемо основні етапи оволодіння учнями навчальним матеріалом і,
виходячи з цього проаналізуємо можливості навчального фізичного
експерименту. Найефективнішим є так званий евристичний метод вивчення
матеріалу, коли значну частину необхідних висновків учні роблять
самостійно, використовуючи дані навчального експерименту (демонстраційного,
фронтального, експериментальних. задач тощо). Основні етапи діяльності
вчителя і учнів на уроці-можна показати схематично.
На схемі ми показуємо не тільки послідовні етапи вивчення матеріалу, а
й зазначаємо основних виконавців тієї або іншої навчальноі роботи. Це
допомагає чіткіше уявити роль учителя в кожний момент уроку, відповідно
готуватнсь до цього. Зрозуміло, що найбільших успіхів досягають ті вчителі,
які вміють організувати процес навчання, ефективно керувати пізнавальною
діяльністю учнів.
Схема організації навчальної діяльності при евристичному методі
вивчення матеріалу
|№ |Вид діяльності |Хто виконує основні |
| | |функції |
|1 |Короткі висновки про раніше вивчений |Учитель з |
| |матеріал, який буде потрібний при |викорис-танням знань |
| |вивченні нового матеріалу |учнів |
|2 |Постановка навчальної проблеми |Учитель |
|3 |Постановка навчального експеременту в |Учитель; поможливості|
| |комплексі з іншими дидактичними |учні |
| |засобами | |
|4 |Обробка результатів експерименту. |Учні |
| |Висновки з експерименту експерименту | |
|5 |Узагальнення висновків; формулювання |Учитель, учні під |
| |досліджуваної закономірності |керивництвом учителя |
|6 |Історія відкриття закономірності; |Учитель; поможливості|
| |значення її для розвитку господарства, |учні |
| |науки | |
|7 |Формування практичних умінь і навичок у|Учні під керивництвом|
| |застосуванні вивченої закономірності |учителя |
|8 |Підведення підсумків і накреслення |Учитель |
| |перспективних проблем | |
Під керівництвом учителя учні повинні самостійно відшукати мак-
симально можливу кількість інформації, яку потрібно засвоїти. Ще К. Д.
Ушинський вказував на необхідність саме такої організації навчального
процесу: «Якщо навіть припустити, що учень зрозуміє думку, пояснену йому
вчителем, то і в такому випадку думка ця ніколи не вляжеться в голові його
так міцно і свідомо, ніколи не стане такою повною власністю учня, як тоді,
коли він сам її виробить» (Ушинский К. Д. Собрание сочинений, т. 10. М.Л.,
Изд-во АПН, 1950, с. 422).
§ 6. ЗМІСТ І ЗАВДАННЯ ПРАКТИКУМУ з методики і техніки шкільного
ФІЗИЧНОГО ЕКСПЕРИМЕНТУ
Практикум з методики і техніки шкільного фізичного експерименту має на
меті ознайомити студентів з основним обладнанням фізичного кабінету
середньої школи та методикою і технікою постановки різних видів навчального
експерименту: демонстраційних дослідів, фронтальних лабораторних робіт,
фізичних практикумів і експериментальних задач. Структура і зміст завдань
практикуму підпорядковані педагогічній концепції, згідно з якою найбільший
педагогічний ефект від практикуму можна дістати тоді, коли студенти
оволодіватимуть необхідними вміннями і навичками застосовувати різні види
навчального експерименту в їх єдності. У зв’язку з цнм роботн практикуму
(за винятком робіт з вивчення основного обладнання фізичного кабінету)
включають у себе завдання з різнпх видів навчального експерименту під час
вивчення того чи іншого питання шкільного курсу фізики.
Передбачений програмою час для практикуму з методики і техніки
шкільного фізичного експерименту дає змогу включити до робіт практикуму
тільки найбільш складні демонстраційні досліди, а також окремі лабораторні
роботи, роботи фізичних практикумів і експериментальні задачі, які
найбільшою мірою дають змогу зрозуміти студентам специфіку цих видів
навчального експерименту.
У процесі виконання робіт практикуму кожен студент повинен оволодіти
такими знаннями, уміннями і навичками:
1. Знати призначення і правила експлуатації основного обладнання з
фізики для середньої школи.
2. Умітн складати установки за схемамн і описами, вміщеними в цьому
посібнику та в інших виданнях, на які в описах робіт практнкуму зроблено
посилання.
3. Оволодіти методикою і технікою виконання різних видів шкільного
фізичного експерименту з дотриманням основних дидактичних вимог до них.
4. Уміти супроводжувати досліди чіткими, вичерпними і короткими
поясненнями на рівні, доступному для учнів відповідного класу.
5. Оволодіти навичками в дотриманні правил техніки безпеки під час
проведення всіх видів навчального експернменту.
§ 7. Засоби НІТ у навчальному фізичному експеременті
Стрімке збільшення потоку наукової інформації у період технічного
прогресу людства потребує своєчасного адекватного відбиття в навчальному
процесі. Використання засобів нових інформаційних технологій (НІТ) сприяє
не лише покращенню емоційного сприйняття, а й підвищенню інформативності
навчального матеріалу, його наочності та доступності. Фізика за своєю
основою є експериментальною наукою. Шкільний фізичний експеримент тісно
пов’язаний з теоретичним навчанням.
Навчальний експеримент передбачає: висунення теоретичної гіпотези, яка
вимагає практичного підтвердження, розробку методу дослідження, постановку
експерименту, спостереження за його ходом, зняття фізичних пара-метрів, їх
систематизацію, аналіз та узагальнення і формулювання висновків щодо
проведеної роботи. Зважаючи на універсальність, комп’ютерну техніку можна
використати на всіх етапах проведення експерименту. Це відкриває нові,
перспективні підходи щодо отримання експериментальних даних.
Ефективність застосування ЕОМ в експериментально-дослідній роботі
зумовлюється такими чинниками: висока точність результатів та їх
достовірність, оскільки програмні засоби уможливлюють застосування методів,
що знижують нагромадження похибок під час округлення та обчислення
проміжних величин; скорочення кількості складних, дорогих і унікальних
приладів; підвищення якості та інформативності дослідження за рахунок
ретельнішої обробки даних; збільшення кількості об’єктів, що контролюються;
підвищення емоційного впливу; скорочення циклів дослідження на основі
прискорення підготовки і проведення експерименту, оперативного використання
результатів аналізу, зменшення часу обробки та систематизації даних.
Комп’ютеризація експерименту розширює обізнаність учнів з
досліджуваним фізичним явищем, формує навички і надає їм впевненості під
час використання сучасних експериментальних методів, ознайомлює з
передовими засобами пізнання, видами контролю за технологічними процесами
на виробництві, дає змогу по-новому розглядати методику постановки
шкільного експерименту.
Сучасні персональні комп’ютери (ПК) уможливлюють використання ЕОМ у
дослідній роботі з підключенням відповідних допоміжних пристроїв у ролі
засобів контролю, реєструючих приладів, приладів візуального відбиття та
ін. На екрані графічного дисплея можна формувати систему шкал вольт-, ампер-
і ватметрів та багатьох інших вимірювальних приладів, що реєструють певні
параметри досліджуваних об’єктів. В експериментально-дослідній роботі
проміжпою ланкою між ЕіОМ і об’єктом дослідження є датчики та перетиорюючі
пристрої. Як правило, датчики сприймають інформацію в аналоговому вигляді
(температура, тиск, освітленість, вологість, напруга та ін.), яку перш ніж
«подати» до комп’ютера, необхідно перетворити в цифрову форму. Під час
роботи з групою датчиків програми забезпечують періодичне опитування стану
кожного з них. Після обробки експериментальних даних ЕОМ направляє
результати в необхідному для аналізу вигляді на пристрої виводу.
Для використання апаратних засобів ЕОМ, опрацювання сигналів, що
надходять, і виведення результатів у зручній для сприйняття формі створюють
відповідні програмні засоби обробки та дослідження сигналів. Такі програми
можуть бути спеціалізовані — призначені для дослідження конкретного
фізичного об’єкта, або універсальні — для забезпечення певного виду
експериментів. Програмні засоби, призначені для забезпечення сприйняття
іиформації про зміну параметрів фізичних величин та їх характеристик від
датчиків та перетворюючих пристроїв для її наступної обробки в цифровому
вигляді, збереження та реєстрації на засобах виводу, відносять до
експериментально-дослідних.
Питання комп’ютеризації експериментально-дослідної роботи неодноразово
порушу-валися в наукових та навчально-методичних виданнях, але специфіка
підходу щодо застосування та їх інформативність недостатні для використання
в шкільній практиці. Виконання таких робіт у навчальному процесі забезпечує
розроблений пакет педагогічних програмних засобів (ППЗ) «F(t)». Він
призначений для демонстрації і дослідження зміни фізичних величин з часом
та експлуатації ПК типу ІВМ РС як осцилограф. ППЗ «F(t)» забезпечує
візуалізацію часових змін характеристик фізичних величин, що досліджуються
за допомогою датчиків резистивного типу (фото-, термо-, магніто- і га-
зорезистори та ін.) та перетворювачів, підключених до аналогово-цифрового
порту вводу ЕОМ ІВМ РС і сумісних з ними. Інструментальна похибка у
вимірюваннях та розрахунках на основі рекомендованого пакету програм не
перевищує 5 %. Дослідження проводять у системі з реальним масштабом часу.
ППЗ «F(t)» дає змогу оцінити відхилення електричних характеристик
датчика фізичної величини і побудувати графічну залежність зміни її па-
раметрів з часом на екрані ди-плея (типу EGA або VGA). Пакет «F(t)»
передбачає повний і посторінковий перегляд досліджуваного процесу апрок-
симованої графічної залежності й проведення його функціонального
дослідження на основі диференціювання та інтегрування функції з обчис-
ленням площі криволінійної трапеції та знаходженням абсолютних екстремумів
функції. У пакеті реалізована можливість кросування функції для визначення
її значень у будьякий момент часу дослідження.
Для покращення психологічного сприйняття, інформативності та слухового
контролю передбачено звуковий супровід експериментального процесу.
Враховуючи невеликі розміри дисплея, що впливає на погіршення
демонстраційних характеристик ПК, а також проблеми підключення ЕОМ з EGA та
VGA дисплеями до побутових телевізорів, у пакеті передбачена можли-вість
виведення відеоінформації з підвищеним контрастом. Програма забезпечує
вивід результатів дослідження на друкуючий пристрій для отримання твердої
копії утвореної графічної залежності та даних її аналізу.
Основним робочим файлом пакета, який забезпечує отримання даних та
керування експериментальним процесом є f(t).ехе. Інформація про
досліджуваний процес за умовчанням заноситься у файли даних f(t).dat та
атрибутів f(t).аtг для подальшої обробки та збереження в бібліотеці
експериментальних даних. За необхідності користувач має змогу створити або
викликати з бібліотеки даних (каталог ОАТА) для дослідження свій файл з
будьяким іншим іменем, що відповідає вимогам та синтаксису операційної
системи MS DOS. До пакета також входять допоміжні файли з довідковою і
технічною інформацією для користувачів f(t).doc і f(t).shm, в яких описано
призначення та можливості ППЗ «F(t)», його особливості, функціональні
клавіші, схеми узгодження та ін.
Датчики під’єднують через стандартний аналогово-цифровий порт
вводу/виводу ЕОМ ІВМ РС за допомогою узгоджувального пристрою (мал. 1.).
Для отримання інформащї щодо стану датчиків звертаються до порту за адресою
0201h.
Наочність та інформативність споглядання ходу демоистраційного
експерименту забезпечується безпосереднім спостереженням використаного
обладнання і засобів, а також результатів обробки експериментальних даних у
графічному та цифрознаковому вигляді на дисплеї ЕОМ і копії, отриманої на
друкуючому пристрої. Передбачено збереження експериментальних результатів
та функціональної залежності, добутих під час досліджень, у бібліотеці
даних для наступного використания для актуплізації опорних знань, на уроках
узагальнення набутих знань, умінь та навичок, а також під час повторения
навчального матеріалу.
Такий комп’ютеризований підхід до проведення шкільного фізичного
експерименту розширює обізнаність учнів з досліджупаними явищами, надає їм
впевненості під час використання сучасних експериментальних засобів,
ознайомлює з персдовими способами пізнання, новими інформаційними,
навчальними технологіями, сучасними методами контролю за технологічішми
процесами на виробництві, перспективними методами наукових досліджень,
навчає розрізняти реальні та ідеальні об’єкти фізики, створює умови
оновлення методики та техніки постановки шкільиого демонстраційного
експерименту з фізики.
§ 8. Приклад навчального фізичного експерименту
Для ілюстрації вище сказаного пропонується навчальний фізичний
експеримент демонстраційнодослідного характеру, що забезпечує вивчення
механічних коливальних процесів та сприяє засвоєнию знань з таких розділів
фізики, як акустика, радіотехніка, електроніка, хвильова оптика, фізика
атома і ядра. Проведення й постановка відомих традиційних експсримептів для
вивчення механічних коливань з використанням самописців, пісочниць,
крапельниць з метою дослідження закономірностей коливальних рухів мають
низку недоліків, пов’язаних в основному з необхідністю виготовлення
численних вузькоспеціалізованих, принципово відмінних пристроїв.
Використання засобів сучасної електронної техніки дає змогу удосконалити
деякі класичні навчальні експерименти.
Розглянемо графічні способи демонстрування залежності координати тіла
фізичного маятника від часу з використанням ком’ютерної техніки.
Прилади та обладнання:
штатив з лапкою і муфтою;
фізичний маятник (масивне тіло на тонкому металічному стержні —
шпиці); з’єднувальні провідники; змінний резистор (47 кОм); узгоджувальний
пристрій (мал. 1), комп’ютер ІВМ РС АТ з інстальованим пакетом ППЗ F(t).
Підготовка демонстрації. Механічно жорстко з’єднують стержень
фізичного маятника з віссю змінного резистора, корпус якого закріплюють у
лапці штатйва так, щоб маятник міг здійснювати коливальні рухи. Для
зменшення впливу тертя та забезпечення точності експериментальних даних
змінний резистор має бути функціональної групи А (з лінійною залежністю
опору від кута повороту). Рекомендований тип змінного резистора — ПТП 1, ПЛ
П 1 або інші подібні.
Для забезпечення навчальних якостей експерименту слід передбачити
можливість зміни маси маятника, а також його довжини в межах від 0,2 до 1,5
— 2 м. Стержень можна виготовити зі стального дроту діаметром 1 — 2 мм.
Контакти змінного резистора з’єднують гнучкими, скрученими між собою
провідниками з вхідними клемами узгоджуиального пристрою (мал. 1). Потім
цей пристрій з’єднують з портом вводу-виводу комп’ютера ІВМ РС АТ. Розта-
шування компонентів демонстраційної установки повинно забезпечувати
одночасне спостереження коливань маятника й експериментальної графічної
залежності на екрані дисплея.
Хід експерименту.
Вмикають комп’ютер і активізуюгь ППЗ «F(t)». Входять у розділ меню
«Make date of process» і згідно з передбаченими ППЗ розділами вводять
основні характеристики досліджуваного процесу:
1. Максимально можливе амплітудне значения зміщення маятника Х (см),
що передбачається зафіксувати в процесі дослідження. Значення зміщення
можна спостерігати по осі ординат.
2. Час одного раунду t (с), що фіксується по осі абсцис. За часом
одного раунду визначають час, необхідний для проходження променем робочої
частини екрана зліва направо. Дані, відображені на біжучому екрані
(сторінці), зберігатимуться в пам’яті. Тривалість одного раунду вибирають
такою, щоб можна було детально розглянути зміну параметрів, оскільки ППЗ
передбачає роботу в реальному масштабі часу.
3. Літерне позначення досліджуваної величини, що реєструється на осі
ординат і в подальшому використовується для опису функціональної залежності
її зміни з часом «F(t)».
Після вводу характеристик процесу на екрані дисплея з’являються осі
координат із заданими величинами, а також біжучі параметри, що ха-
рактеризують хід експериментального процесу: час дослідження, миттєве
значення досліджуваної величини, номер робочої сторінки та ін. Комп’ютер
переходить до режиму реєстрації і збереження даних від датчика, їх обробки
і виводу результатів на екран дисплея в графічному вигляді.
Для демонстрування графічної залежності координати фізичного маятника
від часу використовують маятник з якомога більшою довжиною стержня (для
збільшсння періоду коливань) і масою вантажу (для зменшення впливу сили
тертя). На початку експерименту відхиляють маятник від положення рівноваги
і спостерігають синхронні зміщения електронного проме-ня на екрані ЕОМ.
Повторюють спостереження для різних значень зміщення маятника. Звертають
увагу на те, що під час збільшення миттєвого зміщення маятника
спостерігається відповідне більше відхилення електронного променя. На
основі цього доходять висновку, що відхилення променя змінюється про-
порційно зміщенню маятника від положення рівноваги, тобто його миттєвому
зміщенню.
Зміщують маятник від положення рівноваги на невеликий кут і
відпускають. У процесі дослідження спостерігають за коливанням маятника і
одночасним віддзеркаленням графічної залежності на екрані дисплея. Експери-
мент повторюють, змінюючи довжину маятника (стержня). Доходять висновку про
залежність періоду коливань від довжини маятника. В разі потреби
відтворюють копію графічної залежності на друкуючому пристрої (мал. 2).
[pic]
Під час розгляду затухаючих коливань масу вантажу маятника слід
зменшити. Виводять маятник з положення рівноваги і, спостерігаючи за його
коливаннями і функціональною залежністю на екрані дисплея, звертають увагу
учнів на те, що коливання з часом припиняються. Крім того, слід звернути
увагу на те, що з часом зменшується лише амплітуда коливань , а не їх
період, як іно-ді помилково думають учні.
Для спостереження затухаючих коливань збільшують масу маятника,
надають йому можливість здійснювати вільні коливаиня, які відбуватимуться
протягом тривалішого часу. За графіком коливань доходять висновку про
обернену експоненціальну залежність зміни амплітуди коливань з часом (мал.
5).
Після закінчення роботи аналізують результати дослідження,
користуючись даними, що зберігалися на запамтовуючих пристроях комп’ютера.
При цьому використовують розділи меню «Page of process» для посторінкового
перегляду досліджуваного процесу або «Show the whole process» для
одночасного спостереження всієї залежності на екрані. Покращення де-
монстраційних та інформаційних якостей можна досягнути, скориставшись
сервісними функціями ППЗ «F(t)»: задіяти кросування функції, вивести
координатну сітку, відтворити зображення в чорнобілому режимі з підвишеною
контрастністю для спостереження у великих аудиторіях, задіяти аудіосупровід
та ін. Подібний аналіз доцільно проводити з використанням копій, які
отримано за допомогою друкуючого пристрою.
Заключення
У даній роботі була розглянута методика та техніка проведення
навчального експерименту у системі вивчення фізики в середній школі. Були
розглянуті рекомендації студентам, які проходять практику викладання фізики
в школі щодо навчального експерименту. На прикладі була продемонстрована
схема проведення навчального експерименту з використанням сучасних методів
учбового дослідження. Добре висвітлено, що навчальний експеримент у всіх
його формах є важливою частиною учбового процесу.
-----------------------
вхід
Rp
R2
1,2 кОм
R3
47 кОм
до порту I/O IBM PC AT
Реферат на тему: Назначение и область применения лазеров
Введение
Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися
достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 г., и
сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были
созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных
для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры уже успели
завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства. Как
заметил академик А.П. Александров, “всякий мальчишка теперь знает слово
лазер”. И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из
основоположников науки о лазерах – квантовой электроники – академик Н.Г.
Басов отвечает на этот вопрос так: “Лазер – это устройство, в котором
энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в
энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании
часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате
лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество
лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью
передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в
крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волны и получить
плотность энергии, превышающую еже на сегодняшний день плотность энергии
ядерного взрыва… С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых
высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля.
Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой
роли – принципиально новым средством ее передачи и обработки”. Широкое
применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими
свойствами лазерного излучения. Лазер – это генератор когерентного света. В
отличии от других источников света (например, ламп накаливания или ламп
дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой
степенью упорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степенью
когерентности. Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и
направленностью. В наши дни лазеры успешно трудятся на современном
производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом
раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей и
приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают
отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. Доводка номиналов пассивных
элементов микросхем и методы получения на них активных элементов с помощью
лазерного луча получили дальнейшее развитие и применяются в
производственных условиях. Причем лазерная обработка материалов позволяет
повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими
видами обработки. В руках хирурга лазерный луч превратился в скальпель,
обладающий рядом удивительных свойств. Лазеры широко используются в
современных контрольно-измерительных устройствах, вычислительных
комплексах, системах локации и связи. Лазеры позволяют быстро и надежно
контролировать загрязненность атмосферы и поверхности моря, выявлять
наиболее нагруженные участки деталей различных механизмов, определять
внутренние дефекты в них. Лазерный луч становится надежным помощником
строителей, картографов, археологов, криминалистов. Непрерывно расширяется
область применения лазеров в научных исследованиях – физических,
химических, биологических.
Замечательные свойства лазеров – исключительно высокая когерентность и
направленность излучения, возможность генерирования когерентных волн
большой интенсивности в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях
спектра, получение высоких плотностей энергии как в непрерывном, так и в
импульсном режиме – уже на заре квантовой электроники указывало на
возможность широкого их применения для практических целей. С начала своего
возникновения лазерная техника развивается исключительно высокими темпами.
Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые:
создаются лазерные установки с необходимым для различных конкретных целей
комплексом характеристик, а также различного рода приборы управления лучом,
все более и более совершенствуется измерительная техника. Это послужило
причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного
хозяйства, и в частности в машино- и приборостроение.
Значительная импульсная мощность и энергия излечения современных
твердотельных и газовых лазеров позволили вплотную подойти к решению
проблем лазерной энергетики – разработке лазерного оружия для систем
противоракетной обороны, управляемого термоядерного синтеза, разделения
изотопов и лучевой передачи энергии, в том числе на космические объекты.
Надо особо отметить, что освоение лазерных методов или, иначе говоря,
лазерных технологий значительно повышает эффективность современного
производства. Лазерные технологии позволяют осуществлять наиболее полную
автоматизацию производственных процессов. Одновременно при этом экономится
сырье и рабочее время, повышается качество продукции. Например, практически
мгновенная пробивка отверстий лазерным излучением во много раз увеличивает
производительность работы сверловщика и к тому же существенно повышает
качество этой работы. Лазерное изготовление микросхем отличается высокой
производительностью и высоким качеством. В обоих примерах производственные
операции легко поддаются автоматизации; управление лазерным лучом может
взять на себя специальное вычислительное устройство. Можно уверенно
утверждать, что внедрение и совершенствование лазерных технологий приведет
к качественному изменению всего облика современного производства.
Огромны и впечатляющи достижения лазерной техники сегодняшнего дня.
Завтрашний день обещает еще более грандиозные свершения. С лазерами связаны
многие надежды: от создания объемного кино до решения таких глобальных
проблем, как установление сверхдальней наземной и подводной оптической
связи, разгадку тайн фотосинтеза, осуществление управляемой термоядерной
реакции, появление систем с большим объемом памяти и быстродействующими
устройствами ввода—вывода информации.
История создания лазера
Первые шаги на пути к лазеру. Слово “лазер” составлено из начальных букв
в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света
посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер
отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую
они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю
создания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые
ввел представление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к
лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в
1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления
электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея,
высказанная В.А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с
инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой
Отечественной войны В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих
исследований подал в 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой)
заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного
испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой
“Предмет изобретения” записано: “ Способ усиления электромагнитных
излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов
волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду,
в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают
избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц
или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих
возбужденным состояниям”.
Создание мазера. Первоначально этот способ усиления излучения оказался
реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот
(СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по
радиоспектроскопии советские физики ( ныне академики) Н.Г. Басов и А.М.
Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя
излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его “молекулярным генератором” (
предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически
одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для
усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском
университете в США американским физиком Ч. Таунсом. В 1954 г. молекулярный
генератор, названный в скоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и
создан независимо и одновременно в двух точках земного шара — в Физическом
институте имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством
Н.Г. Басова и А.М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США ( группой
под руководством Ч. Таунса). В последствии от термина “мазер” и произошел
термин “лазер” в результате замены буквы “М” (начальная буква слова
Microwave – микроволновой) буквой “L” (начальная буква слова Light – свет).
В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип –
принцип, сформулированный в 1951 г. В.А. Фабрикантом. Появление мазера
означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его
назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой
электроникой.
Шесть лет напряженных исследований. Спустя десять лет после создания
мазера, в 1964 г. на церемонии, посвященной вручению Нобелевской премии,
академик А.М. Прохоров сказал: “Казалось бы, что после создания мазеров в
радиодиапазоне вскоре будут созданы квантовые генераторы в оптическом
диапазоне. Однако этого не случилось. Они были созданы только через 5-6
лет. Чем это объясняется? Здесь были две трудности. Первая трудность
заключалась в том, что тогда не были предложены резонаторы для оптического
диапазона длин волн, и вторая – не были предложены конкретные системы и
методы получения инверсной заселенности в оптическом диапазоне”. Упомянутые
А.М. Прохоровым шесть лет действительно были заполнены теми исследованиями,
которые позволили в конечном счете перейти от мазера к лазеру. В 1955 г.
Н.Г. Басов и А.М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки
для создания инверсной заселенности уровней. В 1957 г. Н.Г. Басов выдвинул
идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при
этом он предложил использовать в качестве резонатора специально
обработанные поверхности самого образца. В том же 1957 г. В.А. Фабрикант и
Ф.А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с
электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количеств водорода и
гелия. В 1958 г. А.М. Прохоров и независимо от него американские физики А.
Шавлов и Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления
вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американец Д.
Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных (как в
СВЧ диапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый
резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки
(сохранены торцовые отражатели, фиксирующие в пространстве ось
резонатора) и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с
длиной волны излучения. В 1959 г. вышла в свет работа Н.Г. Басова, Б.М.
Вула, Ю.М. Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых
квантовых генераторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г.
появилась обстоятельная статья Н.Г. Басова, О.Н. Крохина, Ю.М. Попова, в
которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория квантовых
генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце
статьи авторы писали: ”Отсутствие принципиальных ограничений позволяет
надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители
в инфракрасном и оптическом диапазоне волн”.
Первые лазеры. Таким образом, интенсивные теоретические и
экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом
конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского
физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось его
сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в
оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого “оптического мазера”
– лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно:
маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого
имели серебряное покрытие (эти грани играли роль зеркал резонатора),
периодически облучался зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности,
которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде
красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из
посеребренных граней кубика. В том же 1960 г. американским физикам А.
Джавану, В. Беннету, Д. Эрриоту удалось получить генерацию оптического
излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый
газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено
экспериментальными исследованиями В.А. Фабриканта и Ф.А. Бутаевой,
выполненными в 1957 г. начиная с 1961 г., лазеры разных типов
(твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях.
Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется
технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно
создаются первые полупроводниковые лазеры. Так начался новый, “лазерный”
период оптики.
Классификация лазеров и их характеристики
Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе
усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже
находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на
частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к
отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом – на
входе слабое излучение, на выходе – усиленное.
С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте
перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное
вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном
состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода
одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к
возникновению стимулированного излучения.
Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием
активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными
(например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-
неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качестве активного
вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют
полупроводниковым.
Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного
вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического
излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной
энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с
возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного
излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее
спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об
импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с
непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например
полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале
длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то
говорят о широкополосном лазере.
Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной
мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более
10^6 Вт,
называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 10^5…10^3 Вт
имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10^-3 Вт, то
говорят о маломощных лазерах.
В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают
лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью – у
такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси
электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность
резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения.
Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.
Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии.
Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до
дальнего инфракрасного, т.е. от 10^-3 до 10^2 мкм. За областью 100 мкм
лежит, образно говоря, “целина”. Но она простирается только до
миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный
участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в
ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов,
неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.
Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она
измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных
генераторов – порядка 10^3 Дж. Третьей характеристикой является мощность.
Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10^-3 до
10^2 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве
активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют
генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет
особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж,
сосредоточенную в интервале в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но
длительность излучения генератора на рубине составляет 10^-4 с,
следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же
длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10^-6 с,
мощность составляет 10^6 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить
энергию в импульсе до 10^3 Дж и сократить ее длительность до 10^-9 с и
тогда мощность достигнет 10^12 Вт. А это очень большая мощность. Известно,
что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 10^5
Вт/см^2, то начинается плавление металла, при интенсивности 10^7 Вт/см^2 –
кипение металла, а при 10^9 Вт/см^2 лазерное излучение начинает сильно
ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.
Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного
луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в
несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3
угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв
излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10…15
угловых градусов.
Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в
котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров
монохроматичность очень высокая, она составляет 10^-10, т.е. значительно
выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты
частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем
излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой
монохроматичностью.
Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного
действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у
полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для
повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения
лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию
аппаратуры.
Области применения лазеров в науке и технике
Лазеры в геодезии
Оптические методы измерения расстояний и углов хорошо известны в
промышленной метрологии и геодезической службе, однако их применение было
ограничено источниками света. Измерения на открытом воздухе с
использованием модулированного света были возможны лишь при небольших
расстояниях в несколько километров. С помощью лазеров удалось значительно
расширить область применения оптических методов, а в ряде случаев и
упростить их.
Лазерная гироскопия
С появлением лазеров роторные гироскопы были заменены лазерными. Это сразу
сулило ряд технических достоинств. Во-первых, резко сократились размеры
контура из-за того, что в кольцевом лазере оба луча многократно обегают
окружность и имеет место накопление фазового сдвига. Во-вторых, лучи не
ослабляются в среде, как это было в эксперименте А. Майкельсона, а
усиливаются за счет получения энергии от активного вещества.
Лазерные гироскопы находят применение в зарубежных устройствах
измерительной техники, в системах наземной ориентации, в системах
ориентации воздушных и космических аппаратов, а также при создании
бесплатформенных инерциальных систем (БИС) навигации.
Лазерный гироскоп не свободен и от недостатков. К ним относятся
необходимость оснащения прибора рядом вспомогательных систем, трудности
калибровки и т. п. Их наличие позволяет сделать вывод. Что лазерный
гироскоп не сможет полностью заменить роторный. Скорее всего он будет
применяться в комплексе измерителей первичной информации и лишь в отдельных
случаях использоваться самостоятельно.
Обработка материалов и сварка
Обработка материалов с помощью лазеров вылилась в последнее время в мощное
направление, которое получило название лазерной технологии. Вот что говорит
об этом направлении академик Н. Г. Басов: “Лазерный луч – это уникальный
тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких
температур за столь малое время, в течение которого тепло не успевает
“растрескаться”. Нагреваемый участок может быть при этом размягчен,
рекристаллизован, расплавлен, наконец, его можно испарить. Дозируя тепловые
нагрузки путем регулирования мощности и продолжительности лазерного
облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим и
реализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется для
поверхностей закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для
плавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении”.
Можно сформулировать основные достоинства, которые имеет лазерная
обработка материалов:
во- первых, большое разнообразие процессов обработки самых различных видов
материалов (и даже таких, которые не поддаются механической обработке);
во-вторых, высокая скорость выполнения операций по обработке (иногда в
1000 раз большая, чем при механической);
в-третьих, высокое качество обработки (гладкость срезов, прочность сварных
швов, чистота обработки и др.);
в-четвертых, возможность высокоточной прецизионной обработки (
изготовление фильер в алмазе, необходимых для волочения проволоки,
изготовление отверстий в рубиновых камнях, необходимых для изготовления
часовых механизмов и др.);
в-пятых, селективность воздействия на отдельные участки обрабатываемой
поверхности и возможность дистанционной обработки (в том числе и
поверхностей, расположенных за стеклянной перегородкой);
в-шестых, сравнительная легкость автоматизации операций, способствующая
существенному повышению производительности труда.
Лазерная хирургия
Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы
заинтересовались не только инженеры, но и медики. Они решили использовать
его в качестве скальпеля. По сравнению с обычным такой скальпель обладает
целым рядом достоинств:
во-первых, лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств,
надежностью в работе;
во-вторых, лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая на нее
какого-либо механического давления;
в-третьих, лазерный скальпель имеет абсолютную стерильность, поскольку с
тканью взаимодействует только излучение, причем в области рассечения
возникает высокая температура;
в-четвертых, лазерный луч производит почти бескровный разрез, поскольку с
рассечением тканей коагулируют края раны, как бы “заваривая” мелкие сосуды;
в-пятых, лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок,
в то время как скальпель загораживает рабочее поле.
Кроме того, рана от лазерного скальпеля (как показали клинические
наблюдения) почти не болит и относительно скоро заживляется. Все это
привело к тому. Что лазерный скальпель был применен на внутренних органах
грудной и брюшной полостей. Им делают операции на желудке, делают кожно-
пластические операции. Широко используют в офтальмологии при лечении
глазных болезней. Исторически сложилось так, что окулисты первые обратили
внимание на возможность использования лазера и внедрили его в клиническую
практику.
Лазеры в ретинопатии
Исследования показали, что лазерное излучение оказывает сильное
воздействие на ткани злокачественных опухолей, а воздействие их на здоровые
ткани минимально. Не было замечено каких-либо изменений в работе сердечно-
сосудистых систем, внутренних органов, изменений кожи. Зато установлено,
что лазерное излучение хорошо использовать для уничтожения меланомы –
сильно пигментированного рака. В Англии ведутся исследования по применению
лазеров в нейрохирургии. Поскольку сама излучающая головка тяжелая, то
используют волоконную оптику для подведения лучистого потока к оперируемому
участку. Волоконная оптика и лазерное излечение используются при операциях
на желудке и пищеводе. Этому служит тонкий жгут, который вводят больному
через рот. В жгуте размещаются: волокна, обеспечивающие передачу на экран
анализируемого и оперируемого участков, волокна, обеспечивающие подсветку
участков обычным светом, волокна, обеспечивающие передачу лазерного
излучения, необходимого для выполнения операции. Обнаружено весьма
эффективное биологическое воздействие красного гелий-неонового лазера. Его
стали использовать для лечения заболеваний слизистой оболочки рта, для
сращивания костей после переломов, для лечения заболевания вен, приводящего
к трофическим язвам, для лечения послеожоговых ран.
Лазерная связь
Известно, что предельная скорость передачи определяется длительностью
одного периода колебаний используемых волн. Чем короче период, тем больше
скорость передачи сообщений. Это справедливо и для передачи сообщений с
помощью азбуки Морзе, с помощью телефонной связи, радио связи, с помощью
телевидения. Таким образом, канал связи (передатчик, приемник и связывающая
их линия) может передавать со скоростью не больше, чем частота собственных
колебаний всего канала. Но это еще не достаточное условие. Для
характеристики канала связи требуется такой параметр, как ширина полосы
канала, т.е. диапазон частот, который используется в этом канале связи. Чем
больше скорость передачи, тем шире полоса частот, на которых следует
передавать. Оба этих параметра вынуждают осваивать все более высокие
частоты электромагнитных колебаний. Ведь с увеличением частоты
увеличивается не только скорость передачи по одному каналу, но и число
каналов связи.
Техника связи стала забираться во все более коротковолновую область,
используя сначала дециметровые, потом метровые и, наконец, сантиметровые
волны. А дальше произошла остановка из-за того, что не было подходящего
источника несущих электромагнитных колебаний. Ранее существовавшие
источники давали широкий спектр с очень малой мощностью, приходящейся на
отдельные частоты колебаний. Световые волны небыли когерентными, а это
исключало использование их для передачи сложных сигналов, требующих
модуляции излучения. Положение резко изменилось с появлением лазеров.
Когерентность и монохроматичность лазерного излучения позволяет
модулировать и детектировать луч таким образом что используется вся ширина
оптического диапазона. Оптический участок спектра гораздо шире и
вместительнее, чем радиоволновой.
Лазерные локаторы для стыковки
В настоящее время успешно осуществляется стыковка космических аппаратов на
орбите. Для этого все они оборудуются целым рядом устройств, среди которых
не последним является и лазерный локатор к нему предъявляются определенные
требования, обусловленные многими причинами. В первую очередь, задаются
величиной ошибки, с которой выводятся два корабля на одну и ту же орбиту.
Величина зоны, в которой должны работать бортовые средства космических
аппаратов, чтобы обеспечить взаимный поиск, обнаружение и слежение,
определяется следующими факторами: ошибками систем управления всех
ступеней, ошибками в момент пуска и, конечно, схемой вывода.
Основные характеристики лазерного локатора для стыковки следующие:
дальность действия – от 120 км до момента встречи; определяемые параметры –
дальность, скорость, угловые координаты и скорость изменения их; точность
по дальности – 0.5% от расстояния на расстоянии 120-3 км; точность по
дальности – 0.1 м при расстоянии от 3 км; угловая точность – 10 угловых
секунд; масса – 15 кг 770 г; потребляемая мощность – 15 Вт; габариты –
0.025 м^3.
Лазерная система посадки
Обеспечение безопасности полетов, связанная с увеличением точности систем
посадки, снижением ограничений по метеоусловиям, с комфортностью работы
экипажа в экстремальных условиях, является очень актуальным. На это были
направлены усилия многих ученых и инженеров. Появление лазеров
стимулировало усилия разработчиков систем посадки самолета. Впервые такая
система была разработана и внедрена в СССР на аэродромах Министерства ГА
СССР. Ее автором является инженер Бережной. Система получила название
“Глиссада”. Она прошла испытания и запатентована в ряде стран. Лазерная
система “Глиссада” является очень простой, легко разворачиваемой на
неподготовленных аэродромах, достаточно дешевой и просто комплектуемой с
любыми стоящими на аэродроме системами. Ее основные преимущества
сформулированы следующим образом: имеется возможность производить
приземление самолетов с точностью, превосходящей точность существующих
инструментальных систем посадки; пространственные ориентиры, образованные
лазерными лучами системы за счет рассеяния на неоднородностях атмосферы, на
каплях дождя | |
