На чтение: ≈ 24 мин.Цель: используя системный анализ, рассмотреть техническую систему (ТС) – электрическая лампа.
Задачи:
1. Продолжить формирование многоэкранного мышления при рассмотрении конкретной ТС – электрической лампы.
2. Продолжить формирование умений формулировать идеальный конечный результат (ИКР), составлять и разрешать технические противоречия, используя соответствующие методы.
3. Показать связь между историей развития человеческого общества и развитием техники.
4. Методами ТРИЗа усилить прикладное значение физики как науки.
5. На примере рассмотрения биографий великих изобретателей воспитывать чувство патриотизма и гордости за свою страну.
Разминка. Игра «Черный ящик» (в ящике лежит лампа накаливания). Итак, героиней сегодняшнего урока будет электрическая лампочка.
Эпиграфом нашего урока мы взяли стихи поэта Евгения Сазонова:
В беспрерывном движении,
В стремлении бесповоротном
Мы прощаемся с прошлым
И к новому вечно спешим,
Вымирают не только
Отдельные виды животных,
Вымирают, как зубры,
Отдельные виды машин.
Актуализация знаний
Сегодня мы познакомимся с историей развития электрической лампочки.
Давайте вспомним:
1. Что называется технической системой? (Совокупность элементов, необходимых для выполнения главной полезной функции).
2. Что называется идеальной технической системой? (Та, которой нет, но функции ее выполняются).
История развития ТС – электрической лампочки мы рассматриваем на основе системного анализа, а для этого будем использовать системный оператор.
(См. кодограмму № 1).
Любая ТС состоит из каких-то элементов, т.е. имеет подсистему. Кроме того, она сама является частью чего-то, т.е. имеет надсистему. Помимо этого, у ТС есть прошлое, в котором она была несколько иной, а может, и сильно отличалась, а значит, имеет и будущее, в котором данная ТС будет снова видоизменена. История развития техники немыслима без истории развития общества, так как изобретатели, по сути дела, выполняют социальный заказ общества по изготовлению того или иного приспособления, прибора, предмета быта. Системный оператор поможет нам увидеть эти связи.
Новая тема
История создания электрической лампочки началась с открытия электрической дуги. Что послужило толчком к этому открытию?
Учитель истории: Россия конца XVIII – начала XIX века. Энергичный профессор Петербургской медико-хирургической академии Василий Петров, уже в 1801 году досаждавший начальству просьбами о приобретении для своего физического кабинета нового гальванического прибора, заполучив мощнейшую по тем временам электрическую батарею, состоящую из 4200 пар гальванических элементов, приступает к опытам с ней, приведшим его в 1802 году к обнаружению электрической дуги. «Если на стеклянную плитку или на скамейку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, сообщенных с обоими полюсами батареи, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медленнее загораются и от которого темный покой довольно ярко освещен быть может…».
Демонстрация: фотография электрической дуги.
Учитель физики: Вот она, та искра, от которой родилась система современного электроосвещения. Освещать «покой» электрической дугой стали только через 40 лет. Первые дуговые лампы Фуко отличались от прибора Петрова лишь наличием ручного регулятора, поддерживающего между концами соосно расположенных выгорающих углей постоянное расстояние.
(См. кодограмму № 2).
Дуга Петрова стала основой таких технических систем, как фонарь Фуко, свеча Яблочкова, лампа Лодыгина. Но во всех этих ТС подсистемы, а значит, и надсистемы были различными.
Теперь познакомимся со знаменитой свечой Яблочкова, предложенной в 1876 г. Кем был Павел Николаевич Яблочков? О нем нам расскажет… (Сообщение ученика – биография ученого).
Кодоскоп: портрет Яблочкова.
А как же Яблочков заинтересовался идеей создания электрической лампочки? Молодой начальник телеграфной службы предложил руководству дороги устанавливать на паровозах для освещения существовавшие в то время дуговые лампы. Случай для проверки его предложения подвернулся уникальный: проехаться в Крым собрался сам император Александр II. Яблочков, поместив в пустом багажном вагоне батарею элементов, сам лично уселся впереди локомотива с регулятором Фуко. Ночь была очень холодная, но Яблочков просидел до утра на сильном морозе в дубленке, постоянно помогая действию лампы. Нельзя было позволить свече потухнуть хотя бы на короткий промежуток времени, а лампа Фуко действовала ненадежно. Несмотря на безусловный успех эксперимента, Яблочков задумался о несовершенстве дуговой лампы. Недостатки конструкций своих предшественников он четко представлял:
1) при зажигании дуговой лампы нужно разводить угольные электроды на строго определенное расстояние;
2) во время горения для поддержания постоянной длины дуги необходимо сводить угли по мере их сгорания, для этого использовали либо ручной регулятор, либо часовой механизм, который автоматически сближал угли. Но дуга очень капризна, и потому регуляторы работают не надежно.
Давайте попытаемся решить задачи, вставшие перед Яблочковым, методами ТРИЗа (групповая работа):
1. Предложите идею для автоматического регулирования длины дуги. (Подсказка: идеальный регулятор – тот, которого нет, но функции его выполняются).
Ответ: чтобы расстояние между стержнями сохранялось постоянным по всей длине, стержни должны располагаться параллельно.
Демонстрация: 2 ручки соосно, 2 ручки параллельно.
2. Но дуга на это идеальное решение ответила весьма оригинально: она сбежала вниз по электродам и перегрызла их у основания! Как удержать дугу на заданной высоте? Почему дуга падает вниз?
Ответ: потому, что она все время находится между проводниками – наружными поверхностями электродов и под действием собственного веса падает и останавливается у основания – на полу, который сделан из изолированного материала. Если поднять пол повыше, то и дуга остановится повыше. Пространство между электродами нужно заполнить изолятором. По мере выгорания электродов уровень изолятора должен понижаться. Воздействовать на изолятор может только дуга. Состав изолятора должен обеспечить его сгорание во время сгорания электрода. Изолятор – глина.
3. Как зажечь лампу? Когда стержни были расположены соосно, их сводили вместе, а потом раздвигали на нужное расстояние. Теперь же стержни параллельные, причем на фиксированном расстоянии, а пространство между ними заполнено изолятором.
Ответ: необходимо установить между концами тоненькую перемычку. В момент включения она сгорала, поджигая дугу.
4. Так что, свечу можно включить только один раз? Не устанавливать же перед каждым включением перемычку! Предложите принципиальную идею многократного включения свечи. Свеча должна загораться сама! Что у нас есть? Изолятор (глина) и высокая температура дуги. Необходимо, чтобы дуга сама изготавливала новую перемычку. Техническое противоречие: если между углями проводник – дуга загорается сама, но соскальзывает. Если изолятор, то дуга не соскальзывает, но и не загорается сама.
Ответ: в состав изолятора ввести легкоплавкие проводящие добавки. По мере выгорания электродов добавки будут плавиться и на поверхности электродов будет образовываться проводящая пленка, которая в момент включения будет играть роль перемычки.
5. Но электрод «+» сгорает быстрее. Электроны «выгрызают» его сильнее, поэтому он становится короче и дуга гаснет. Как быть? Как заставить электроды выгорать одновременно?
Ответы: а) менять «+» и «-» местами, т.е. использовать переменный ток. Но во времена Яблочкова еще не изобрели генератор переменного тока;
б) если электроды одинаковой длины, то тогда можно сделать один электрод толще другого;
в) можно разместить электроды один внутри другого или намотать один на другой.
1) свеча Яблочкова
2) (См. кодограмму № 3).
Как мы видим, фонарь Фуко представлял собой дугу Петрова с новой подсистемой – ручным регулятором. Свеча Яблочкова – уже более идеальная ТС. Из-за другого размещения электродов из подсистемы исчезла лишняя ТС – ручной регулятор, и лампа заработала автоматически.
Учитель истории: XIX в. – особое время в развитии науки. Великие открытия следуют одно за другим. Казалось, какой-то невидимый волшебник отдернул занавес, скрывающий тайны природы и человека. Но этим волшебником был человеческий разум. Такой процесс невозможен в науке и в просвещении без прогресса политического. Как вы думаете, почему идея Яблочкова не нашла применения в России? (Дискуссия, обмен мнениями).
Учитель физики: На этом техническая эпопея свечи Яблочкова была практически завершена – началась эпопея коммерческая.
Яблочков стал знаменит и богат, но не было для него счастья вне Родины. Он возвратился в Россию, в Петербург, отдав все свои средства, чтобы выкупить у иностранных компаний право использовать электрическую свечу.
Электрическая «свеча Яблочкова», простая и дешевая, горела ярким ровным светом больше часа, однако это не такой уж большой срок, и у нее, кроме старых соперников – газовых светильников, появился новый серьезный соперник – лампа накаливания.
А в наше время мощные дуговые лампы успешно применяют в прожекторах.
Электрическая лампа накаливания изобретена русским изобретателем А.Н.Лодыгиным. (Сообщение ученика).
Кодоскоп: портрет А.Н.Лодыгина.
Лодыгин заинтересовался свечением нагретого угольного электрода (т.е. взгляд с другой стороны, уход от стереотипа). Он спроектировал на экран изображение угольных электродов в момент возникновения между ними электрической дуги. При этом он отчетливо увидел, что светится поверхность конусных торцов углей, дуга дает гораздо меньше света: следовательно, можно накалить током угольные стержни – они и будут светиться.
Кодоскоп: лампа Лодыгина.
В стеклянный баллон изобретатель поместил тонкий угольный стержень между двумя медными держателями. Такая лампа светила всего 0,5 часа, потом ее угольный стержень сгорал. Как замедлить сгорание?
(Варианты ответов детей).
Он изготовил лампочку со сферической колбой, из которой был выкачан воздух. Угольный стержень такой лампы светился уже несколько десятков часов. Заявку на патент своей лампы Лодыгин подал 24 октября 1872 г.
В заявке было указано:
1. Число проводников в одной лампе может быть больше одного.
2. Для изготовления стержней может применяться углерод во всех его видах (графит, сажа, кокс, уголь), а также смеси хороших проводников с непроводниками (железа, чугуна или платины с коалином, известью, магнезией и т.п.).
3. Стеклянный баллон должен быть наполнен азотом или другим газом, форма его может быть цилиндрической, овальной или любой другой.
Таким образом, в заявке закреплялись все права на разнообразные модификации лампы.
Все-таки лампочки Лодыгина служили недолго. Нужно было проделать еще тысячи опытов, чтобы создать прочную нить накаливания. А денег у изобретателя не было.
(См. кодограмму № 4).
В лампе Лодыгина подсистема дуги Петрова не только видоизменилась, но и сильно разрослась. Отвечая требованиям Идеального Конечного Результата, лампа Лодыгина уже многое делала сама: сама себя поджигала, сама себя изолировала и даже сама поддерживала свечение как можно дольше. Несомненно, это была уже другая, более совершенная ТС.
Учитель физики: Почему у Лодыгина патент раньше, а известность получила свеча Яблочкова?
Где-то в 1876-77 гг. в США для наблюдения за постройкой кораблей, заказанных Морским ведомством, был командирован русский морской офицер А.Хотинский. Он хорошо знал об опытах Лодыгина и даже захватил в Штаты несколько образцов лампы накаливания. Встречаясь с Эдисоном, Хотинский продемонстрировал ему эти лампы – с 1878 г. Эдисон активно занимался проблемой электрического освещения в быту.
(Биография Эдисона – сообщение ученика).
Учитель истории дает портрет Америки конца XIX века.
Кодоскоп: портрет Эдисона.
Учитель физики: Эдисон понял, что изобретенные Лодыгиным лампочки – самый лучший способ освещения, надо только их усовершенствовать. У него было то, чего не хватало Лодыгину, – много денег и много помощников. 6000 опытов провел Эдисон со своими помощниками, чтобы найти самый прочный материал для нитей – японский бамбук – и лучший способ их приготовления.
Кодоскоп: лампа Эдисона.
Эдисон выкачивал из лампочек воздух гораздо тщательнее, чем Лодыгин. Чтобы понять, как Эдисон это сделал, посмотрите на лампочку. Видите – небольшое утолщение на ее верхушке – это остаток трубочки, через которую воздух выкачивают насосом. Когда воздух выкачан, на трубочку направляют сильное пламя, она расплавляется, а кончик ее, оставшийся на лампочке, запаивается. Этот способ и помог Эдисону довести жизнь своих лампочек до 800 часов.
В конце 1879 г. Эдисон создал лампочку с винтовым цоколем и патроном.
Он первый создал аппаратуру для электрического освещения, которая получила широкое распространение. Построил фабрику по производству электрических лампочек, создал источник постоянного тока для питания ламп – динамомашину, организовал завод по их изготовлению.
Кроме патрона им изобретены предохранители, выключатели, первый счетчик энергии.
Более 300 патентов получил Эдисон за короткое время, но все патенты были сформулированы лишь как предложение об усовершенствовании лампы Лодыгина.
Учитель истории: В мае 1893 г. в Чикаго устроена Всемирная колумбийская выставка в честь 400-летия открытия Америки. На торжественной церемонии президент Кливленд сказал: «Мы стоим здесь перед старейшими нациями в мире и указываем на великие произведения, которые здесь выставляем, и не просим снисхождения по причине нашей молодости».
В 60-90-е гг. XIX в. «свободный» капитализм в США достиг своего наивысшего расцвета.
Вспомните причины этого расцвета. (Учащиеся перечисляют).
Американский принцип «Помоги себе сам» был наиболее популярен в стране. Любой ребенок наизусть знал стихи:
Трудись, не бойся, мальчик мой,
Смотри в лицо работе смело:
Скромны пусть молот иль кирка –
Ты не красней за свое дело.
Иностранцы отмечали: «Америка, кажется, единственная страна, в которой человек испытывает стыд, если у него нет никакого дела».
В самом характере американцев было заложено уважение к труду, что явилось одной из причин подъема экономики.
Сравнивая лампы Эдисона и Лодыгина, мы видим, что никаких революционных изменений в лампу Лодыгина Эдисон не внес. Так в чем же его заслуга? Прежде всего в том, что он изобрел и создал надсистему для этой лампы и поставил на поток производство «лампочки для народа», сильно удешевив ее стоимость. Конечно же, кустарная мастерская Лодыгина не могла тягаться в скорости производства с заводами Эдисона.
(См. кодограмму № 5).
Но у лампы с угольной нитью даже после того, как над ней потрудился Эдисон, оставалось два недостатка: они давали тусклый желтоватый свет и расходовали довольно много тока.
Лодыгин в 1890 г. получил в Америке патент на лампочку с нитью из тугоплавких металлов – молибден, вольфрам, тантал.
Ему пришлось решать еще одно противоречие: чтобы нить светила ярче (увеличение температуры), она должна обладать большим сопротивлением, значит, площадь поперечного сечения нити должна быть мала, а длина велика. Но расстояние между электродами лампочки не более 1,5 см. Как же на этом расстоянии разместить нить длинной несколько десятков метров? (Варианты ответов).
Демонстрация: фото нити накаливания.
Свою новую лампу с вольфрамовой нитью накаливания Лодыгин успешно демонстрирует на Парижской всемирной выставке в 1900 г. А в 1906 г. он ставит последнюю точку в заочном споре с Эдисоном – его патент покупает американская фирма «Дженерал Электрик», организованная Эдисоном.
А в наше время есть ли недостатки у ламп накаливания и каковы пути усовершенствования и развития электрических ламп?
Сообщения учеников:
«Лампа с двумя нитями накаливания».
«Газонаполненные лампы» (демонстрация).
«Лампы дневного света» (демонстрация).
Совсем недавно появилось сообщение о «вечной» лампе. Лампа заполнена газом и никуда не подключается, но рядом устанавливается спиральный высокочастотный генератор. Под действием высокой частоты молекулы газа возбуждаются и излучают свет.
Подведем итоги:
1. Развитие любой ТС идет в направлении повышения уровня ее идеальности.
2. Развитие частей системы идет неравномерно – через возникновение и преодоление противоречий.
3. Исчерпав возможности своего развития, ТС или вырождается, или консервируется на одном уровне, или ее рабочий уровень переходит в надсистему в качестве одной из ее частей.
Учитель истории: К.А.Тимирязев писал: «Мочь и предвидеть – дар чудодействия и дар пророчества, – вот о чем с самой колыбели мечтало человечество, наделяя им своих мифических героев и святых. Эти два дара принесла ему наука». (Читает миф о Прометее). Улавливаете аналогию?
Новое надобно созидать в поте лица. А кому это желать, как не вам, молодым, живущим в XXI веке? Видеть и творить новое – очень большое удовольствие.
«Для того чтобы народы могли развиваться, расти, покрываться славой и успешно мыслить и работать, в основе их жизни должна лежать идея прогресса».
Э.Кастелар
Подводятся итоги урока и дается домашнее задание.
Дома поискать информацию о других источниках освещения, кроме электрического.
Лидия ЗАХАРОВА, учитель физики; Любовь КЛИМОВА, учитель истории многопрофильного лицея Государственного забайкальского педагогического университета
портрет А.Н.Лодыгина. лампа Лодыгина. портрет Эдисона. лампа Эдисона.
Выбор читателей
Комментарии