ფიზიკის 5 მარტივი ცდა: ელექტრობა, მაგნეტიზმი და მოძრაობა

ფიზიკის ცდების ჩატარება სახლში და კლასში იაფი მასალითაც შეიძლება. ხუთი მარტივი ცდა, რომელიც ფიზიკის სამ მთავარ თემას ფარავს: ლიმონის ბატარეა და ელექტრომაგნიტი (ელექტრობა), ჰომოპოლარული ძრავა (მაგნეტიზმი), ქანქარა და კვერცხის ჩაგდება (მოძრაობა). თითოეულ ცდაში მოსწავლე ზომავს, შედეგს ცხრილში წერს და მას ფორმულით გამოთვლილ მნიშვნელობას ადარებს.

ფიზიკა ხშირად ფორმულების საგნად აღიქმება. კარგი ცდა ამ ფორმულას ცოცხალს ხდის: როცა ბავშვი ლიმონით შუქდიოდს ანთებს ან ხედავს, რომ ქანქარის რხევის პერიოდი ტვირთის მასაზე არ არის დამოკიდებული, ის სახელმძღვანელოს ტექსტს საკუთარ გამოცდილებას უკავშირებს.

თითოეულ ცდას ახლავს მასალები, ნაბიჯები, გაზომვის ცხრილი, ფიზიკური ახსნა და უსაფრთხოების წესები. ბოლოს ნახავთ, როგორ გააგრძელოთ ცდები Arduino-თი.

რომელი ფიზიკის ცდა რას ასწავლის?

ცდა 1: ლიმონის ბატარეა

მასალები: 3–4 ლიმონი, იმდენივე გალვანიზებული (თუთიით დაფარული) ლურსმანი, სპილენძის სადენის ან ფირფიტის ნაჭრები, სადენები სამაგრებით (კროკოდილებით), მულტიმეტრი, წითელი შუქდიოდი.

ნაბიჯები:

1. ლიმონები მაგიდაზე ხელით დააგორეთ, რომ შიგნით წვენი გამოიყოს.
2. თითოეულ ლიმონში ჩაარჭეთ ლურსმანი და სპილენძი, ერთმანეთისგან 2–3 სმ-ის დაშორებით, ისე, რომ ერთმანეთს არ ეხებოდნენ.
3. მულტიმეტრით გაზომეთ ერთი ლიმონის ძაბვა.
4. შეაერთეთ ლიმონები მიმდევრობით: პირველის სპილენძი მეორის ლურსმანს, და ასე შემდეგ. ყოველი ახალი ლიმონის შემდეგ გაზომეთ ძაბვა.
5. ბოლოს შეაერთეთ შუქდიოდი: გრძელი ფეხი (ანოდი) თავისუფალ სპილენძის ელექტროდს, მოკლე ფეხი კი თავისუფალ ლურსმანს. დაბნელებულ ოთახში დააკვირდით.

რა ხდება და რატომ: ეს გალვანური ელემენტია. თუთია ლიმონის მჟავე წვენში იჟანგება: იონების სახით ხსნარში გადადის, ელექტრონები კი ლითონში რჩება. ეს ელექტრონები სადენით სპილენძისკენ მიედინება, სადაც მათ წყალბადის იონები იერთებს და წყალბადის ბუშტუკები გამოიყოფა. ენერგია თუთიის ქიმიური ცვლილებიდან მოდის და არა თავად ლიმონიდან. ერთი ლიმონი დაახლოებით 0,9 ვოლტს იძლევა, დენი კი ძალიან მცირეა, დაახლოებით 1 მილიამპერამდე. ამიტომ შუქდიოდს მიმდევრობით შეერთებული რამდენიმე ლიმონი სჭირდება, ნათურის ან ტელეფონის ამუშავება კი ლიმონებით პრაქტიკულად შეუძლებელია.

უსაფრთხოება: ცდის შემდეგ ლიმონი არ შეჭამოთ, მასში ლითონის იონებია. ლურსმნები ფრთხილად გამოიყენეთ.

რას ნიშნავს ძაბვა, დენი და წინაღობა და როგორ უკავშირდება ისინი ერთმანეთს, მარტივად ახსნილია სტატიაში ელექტრონიკა დამწყებთათვის: ძაბვა, დენი, წინაღობა და ომის კანონი. ლიმონის ბატარეა ქიმიის ცდაც არის: სხვა სახალისო ქიმიური ცდები იხილეთ სტატიაში ქიმიური ცდები სახლის პირობებში.

ცდა 2: ელექტრომაგნიტი ლურსმნით

მასალები: დიდი რკინის ლურსმანი (8–10 სმ), 1–2 მეტრი თხელი იზოლირებული სპილენძის სადენი, 1,5 ვოლტიანი AA ელემენტი ან 9 ვოლტიანი ელემენტი, იზოლაციის ლენტი, ქაღალდის სამაგრები.

ნაბიჯები:

1. სადენის ბოლოებს 2 სმ-ზე მოაცილეთ იზოლაცია (ლაქიანი სადენის ბოლოები ზუმფარით გაწმინდეთ).
2. ლურსმანზე მჭიდროდ დაახვიეთ 20 ხვია, ერთი მიმართულებით.
3. სადენის ბოლოები ელემენტის პოლუსებს მიადეთ და ლურსმნის წვერით აწიეთ ქაღალდის სამაგრები. დათვალეთ, რამდენი აიწია.
4. გათიშეთ და გაიმეორეთ 40 და 60 ხვიით.

რა ხდება და რატომ: 1820 წელს ჰანს კრისტიან ერსტედმა აღმოაჩინა, რომ ელექტრული დენი მის გარშემო მაგნიტურ ველს ქმნის. კოჭაში ველი ცენტრში თავს იყრის, რკინის გულარი კი მას ბევრჯერ აძლიერებს, რადგან რკინის მაგნიტური დომენები (პატარა მაგნიტური არეები) ველის გასწვრივ ლაგდება. ველი დაახლოებით ხვიების რაოდენობისა და დენის ძალის ნამრავლის პროპორციულია: მეტი ხვია ან მეტი დენი, უფრო ძლიერი მაგნიტი. დენის გათიშვისას მაგნიტური ველი ქრება (რკინა შეიძლება ოდნავ დამაგნიტებული დარჩეს). სწორედ ესაა ელექტრომაგნიტის უპირატესობა მუდმივ მაგნიტთან შედარებით.

უსაფრთხოება: ასეთი წრედი თითქმის მოკლე ჩართვაა: სადენი და ელემენტი სწრაფად ცხელდება. წრედი 5–10 წამზე მეტ ხანს ნუ შეკრავთ, გაცხელებულ სადენს ნუ შეეხებით და ცდის შემდეგ სადენი ელემენტს მოაშორეთ.

ცდა 3: ჰომოპოლარული ძრავა

ეს ერთ-ერთი ყველაზე მარტივი ელექტროძრავაა: სულ ოთხი ნაწილი. ამ პრინციპზე მომუშავე პირველი მოწყობილობა მაიკლ ფარადეიმ აჩვენა 1821 წელს.

მასალები: 1,5 ვოლტიანი AA ტუტე ელემენტი, პატარა დისკური ნეოდიმის მაგნიტი (ხრახნის თავზე ოდნავ განიერი), რკინის (ფოლადის) ხრახნი, 15–20 სმ სპილენძის სადენი შიშველი ბოლოებით.

ნაბიჯები:

1. მაგნიტი მიამაგრეთ ხრახნის თავს, ხრახნის წვერი კი ელემენტის ერთ პოლუსს მიადეთ: მაგნიტი ხრახნს ელემენტზე დაიჭერს.
2. სადენის ერთი ბოლო თითით მიადეთ ელემენტის მეორე პოლუსს.
3. მეორე ბოლოთი მსუბუქად შეეხეთ მაგნიტის გვერდს: ხრახნი და მაგნიტი სწრაფად დაიწყებს ბრუნვას.
4. შეაბრუნეთ მაგნიტი და ნახეთ, როგორ იცვლება ბრუნვის მიმართულება.

რა ხდება და რატომ: დენი ჩაკეტილ წრედში გადის: ელემენტი, ხრახნი, მაგნიტი, სადენი და ისევ ელემენტი. მაგნიტში დენი რადიუსის გასწვრივ, ცენტრიდან კიდისკენ მიედინება. მაგნიტურ ველში მოთავსებულ დენიან გამტარზე მოქმედებს ამპერის ძალა (ის მოძრავ მუხტებზე მოქმედი ლორენცის ძალის შედეგია), რომელიც დენის და ველის მიმართულებების პერპენდიკულარულია. ეს ძალა მაგნიტს და ხრახნს ატრიალებს. თუ მაგნიტს ან ელემენტს შეაბრუნებთ, ძალის მიმართულებაც იცვლება.

უსაფრთხოება: ეს მოკლე ჩართვაა: სადენი და ელემენტი სწრაფად ცხელდება, ამიტომ წრედი მხოლოდ რამდენიმე წამით შეკარით და ცხელ სადენს ნუ შეეხებით. ნეოდიმის მაგნიტები ძალიან ძლიერია: ერთმანეთს ძალით ეჯახება, თითს მოიჭერს და შეიძლება დაიმსხვრეს. თუ ბავშვმა ორი ან მეტი მაგნიტი გადაყლაპა, ისინი ერთმანეთს მუცლის შიგნით იზიდავს: ეს გადაუდებელი შემთხვევაა და მაშინვე ექიმს მიმართეთ. მაგნიტები შეინახეთ დახურულ ყუთში, პატარა ბავშვებისგან შორს.

ცდა 4: ქანქარა და ტელეფონის წამზომი

მასალები: ძაფი, პატარა ტვირთი (ქანჩი ან რამდენიმე საყელური), ლენტი, სახაზავი, ტელეფონის წამზომი.

ნაბიჯები:

1. ძაფის ბოლოზე მიაბით ტვირთი და ძაფი ლენტით მიამაგრეთ მაგიდის კიდეს.
2. გაზომეთ სიგრძე: მიმაგრების წერტილიდან ტვირთის ცენტრამდე.
3. ტვირთი გვერდზე გადახარეთ მცირე კუთხით (არაუმეტეს 15–20°) და გაუშვით.
4. გაზომეთ 10 სრული რხევის დრო და გაყავით 10-ზე. ასე მიიღებთ ერთი რხევის პერიოდს.
5. გაიმეორეთ 25, 50, 75 და 100 სმ სიგრძეზე, შემდეგ კი იგივე სიგრძით, მაგრამ ორჯერ მეტი მასის ტვირთით.

რა ხდება და რატომ: მცირე კუთხით რხევისას ქანქარის პერიოდი გამოითვლება ფორმულით T = 2π√(L/g), სადაც L ძაფის სიგრძეა, g კი თავისუფალი ვარდნის აჩქარება, დაახლოებით 9,8 მ/წმ². ფორმულაში მასა არ არის: ორჯერ მეტი მასის ტვირთი იმავე პერიოდით ირხევა. ეს გალილეომ შენიშნა ჯერ კიდევ XVII საუკუნის დასაწყისში. სიგრძის ოთხჯერ გაზრდა პერიოდს ორჯერ ზრდის. დიდ კუთხეზე ფორმულა ნაკლებად ზუსტია: დაახლოებით 23°-ზე ცდომილება უკვე 1%-ია.

გაგრძელება: გაზომილი პერიოდიდან გამოთვალეთ g = 4π²L/T². უფასო აპლიკაცია phyphox, რომელიც აახენის ტექნიკურმა უნივერსიტეტმა (RWTH Aachen) შექმნა, ტელეფონის სენსორებით გაზომვის საშუალებას იძლევა.

ცდა 5: კვერცხის ჩაგდება

მასალები: ნედლი კვერცხები, საწრუპები, ქაღალდი, ლენტი, ბამბა, ბუშტები, პლასტმასის პარკი (პარაშუტისთვის), საზომი ლენტი.

ნაბიჯები:

1. გუნდებს მიეცით ერთნაირი, შეზღუდული მასალა და 30 წუთი.
2. თითოეული გუნდი ქმნის „შესაფუთს“, რომელიც კვერცხს გატეხვისგან დაიცავს.
3. ჩააგდეთ 1 მეტრიდან, შემდეგ 2 მეტრიდან. სიმაღლეზე მხოლოდ ზრდასრული დგება, მყარ კიბეზე.
4. ჩაწერეთ შედეგი და ყველაზე წარმატებული დიზაინის თავისებურება.

რა ხდება და რატომ: ვარდნისას კვერცხის სიჩქარე იზრდება. მიწასთან მისი სიჩქარე (ჰაერის წინააღმდეგობის გარეშე) გამოითვლება ფორმულით v = √(2gh). დარტყმისას კვერცხი ამ სიჩქარეს ძალიან სწრაფად კარგავს. რაც უფრო მოკლეა გაჩერების დრო, მით მეტია დარტყმის ძალა. კარგი შესაფუთი გაჩერების დროს აგრძელებს (ბამბა, საწრუპები, ბუშტები ნელა იკუმშება) და ძალას ანაწილებს. პარაშუტი ჰაერის წინააღმდეგობით სიჩქარეს ამცირებს. სწორედ ასე მუშაობს მანქანის უსაფრთხოების ბალიში და დეფორმაციის ზონა.

უსაფრთხოება: აივნიდან ან ფანჯრიდან არ ჩააგდოთ. ქვემოთ არავინ უნდა იდგეს. ნედლი კვერცხის შემდეგ ხელები დაიბანეთ.

როგორ გავაგრძელოთ ცდები Arduino-თი?

ფიზიკის ცდა პროექტად იქცევა, როცა გაზომვა ავტომატური და ზუსტი ხდება:

• ლიმონის ბატარეა: Arduino-ს ანალოგური შესასვლელით გაზომეთ ძაბვა და ნახეთ, როგორ ეცემა ის დროთა განმავლობაში. Arduino-ს შესასვლელს 5 ვოლტზე მეტი არ უნდა მიეწოდოს (3,3 ვოლტიან დაფებზე, მაგალითად ESP32-ზე, 3,3 ვოლტზე მეტი).
• ქანქარა: შუქდიოდი და ფოტორეზისტორი (LDR), ან, უკეთესი, ინფრაწითელი სხივის სენსორი „სინათლის კარიბჭედ“ აქციეთ: ქანქარა სხივს კვეთს და Arduino პერიოდს წამზომზე ბევრად ზუსტად ითვლის.
• კვერცხის ჩაგდება: აქსელერომეტრი შესაფუთში ჩაწერს, რა გადატვირთვა განიცადა „კვერცხმა“ დარტყმისას.
• ელექტრომაგნიტი: Arduino და ტრანზისტორი ელექტრომაგნიტს ჩართავს და გამორთავს, მაგალითად პატარა „ამწესთვის“. კოჭას პარალელურად აუცილებლად ჩართეთ დამცავი დიოდი: გათიშვისას კოჭა ძაბვის ნახტომს ქმნის, რომელიც ტრანზისტორს აზიანებს.

პირველი წრედის აწყობა სამონტაჟო დაფაზე (breadboard) ნაბიჯ-ნაბიჯ აღწერილია სტატიაში პირველი ელექტრონული წრედი: LED-ის ჩართვა breadboard-ზე, ხოლო ოჯახური პროექტების იდეები ძრავებით და სენსორებით სტატიაში რობოტიკა სახლში: 10 პროექტი ბავშვებთან ერთად. ბიოლოგიის მსგავსი ცდები კი იხილეთ სტატიაში ბიოლოგიის 5 სახალისო ექსპერიმენტი.

ხშირად დასმული კითხვები

რამდენი ვოლტია ერთი ლიმონის ბატარეა?

თუთიისა და სპილენძის ელექტროდებით ერთი ლიმონი დაახლოებით 0,9 ვოლტს იძლევა, დენი კი 1 მილიამპერამდეა. შუქდიოდის ასანთებად 3–4 ლიმონი უნდა შეაერთოთ მიმდევრობით.

რატომ არ ინთება შუქდიოდი ლიმონის ბატარეიდან?

ყველაზე ხშირი მიზეზები: ლიმონები ცოტაა (ერთი ლიმონის ძაბვა არ ჰყოფნის), შუქდიოდი შებრუნებულია, ან ელექტროდები ერთმანეთს ეხება. შეამოწმეთ ძაბვა მულტიმეტრით, შეაბრუნეთ შუქდიოდი და ცდა დაბნელებულ ოთახში ჩაატარეთ: შუქი სუსტია.

როგორ გავაძლიეროთ ელექტრომაგნიტი?

დაახვიეთ მეტი ხვია, გამოიყენეთ რკინის გულარი და ელემენტი, რომელიც მეტ დენს იძლევა. მაგნიტური ველი დაახლოებით ხვიების რაოდენობისა და დენის ძალის ნამრავლის პროპორციულია. მაგრამ მეტი დენი სადენს მეტად ათბობს, ამიტომ წრედი მოკლე დროით შეკარით.

რატომ ბრუნავს ჰომოპოლარული ძრავა?

მაგნიტურ ველში მოთავსებულ დენიან გამტარზე მოქმედებს ამპერის ძალა, რომელიც დენის და ველის მიმართულებების პერპენდიკულარულია. ის მაგნიტს ან სადენს ატრიალებს. მიმართულება მაგნიტის პოლუსებზე და დენის მიმართულებაზეა დამოკიდებული.

რომელი ფიზიკის ცდებია უსაფრთხო ბავშვებისთვის?

კვერცხის ჩაგდება 8 წლიდან შეიძლება, ქანქარა 10 წლიდან. ლიმონის ბატარეა და ელექტრომაგნიტი უსაფრთხოა ჩვეულებრივი ელემენტებით, ზრდასრულის მეთვალყურეობით. ჰომოპოლარული ძრავა უფროსებისთვისაა, ძლიერი მაგნიტის და მოკლე ჩართვის გამო.

შემდეგი ნაბიჯი

თუ ბავშვს ლიმონის ბატარეამ და ელექტრომაგნიტმა ელექტრობა შეაყვარა, კურსი ელექტრონიკა და ჭკვიანი მოწყობილობები 10–13 წლის მოსწავლეებს ასწავლის დენს, ძაბვას, ომის კანონს, სენსორებს და Arduino-ს პროგრამირებას. ელექტრონიკის ნაკრები კურსში შედის და მოსწავლეს რჩება, ასე რომ ცდების გაგრძელება სახლშიც შეიძლება. 13–17 წლის მოზარდებისთვის კი უფრო ღრმა დონეა: ორივე კურსი ერთადაა გვერდზე ელექტრონიკის და არდუინოს კურსები.

წყაროები

• Lemon battery, Wikipedia
• Electromagnet, Wikipedia
• Homopolar motor, Wikipedia
• Pendulum, Wikipedia
• phyphox: physical phone experiments, RWTH Aachen University
• Magnets, U.S. Consumer Product Safety Commission
• Safety and School Science Instruction, NSTA