Значна кількість демонстраційних дослідів різних розділів шкільного курсу фізики потребує застосування розріджувальних і нагнітальних повітряних насосів. Найбільшого поширення в школах набули ручні повітряні насоси (насоси Шінца), насоси Комовського та ротаційні вакуумнасоси. Вони відрізняються технічними характеристиками і дидактичними можливостями.
Насос Шінца
Ручний повітряний насос Шінца призначений для проведення демонстрацій, у яких передбачено незначне нагнітання чи відкачування повітря. Він значною мірою мобільний, що полегшує підготовку й проведення деяких дослідів.
Технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|
| 1 | Розрідження, створюване насосом | 5 кПа |
| 2 | Тиск, створюваний насосом | до 400 кПа |
Будова та дія насоса
Насос Шінца (мал. 1) складається з металевої труби-корпусу 2, у якій знаходиться поршень 1. Шток поршня проходить через отвір верхньої муфти, яка нагвинчується на трубу.
Мал. 1
Поршень складається з двох шкіряних або гумових манжет, закріплених за допомогою двох гайок і шайб на кінці штока. У нижню муфту, накручену на нижню частину труби, вгвинчено два ніпелі. Ніпель на бічній стороні - нагнітальний, на дні - всмоктувальний. Ніпелі складаються з металевих патрубків, у яких закріплено гумові ковпачки із прорізом збоку (мал. 1, б, в). У всмоктувальному ніпелі ковпачок повернутий иссредину трубки, у нагнітальному - навпаки. При витягуванні поршня в трубці утворюється розрідження, атмосферний тиск стискує стінки прорізу в нагнітальному ніпелі (мал. 1,б) і роз'єднує у всмоктувальному (мал. 1,в). Повітря через всмоктувальний ніпель входить у трубку насоса. При зворотньому русі поршня повітря в трубці стискується, притискає пану до одної стінки прорізу у всмоктувальному ніпелі і роз’єднує їх у нагнітальному. Повітря виходить через нагнітальний ніпель. Як правило, при демонстрації дослідів учитель утримує насос в руках, що створює певні незручності.
Причиною поганої роботи насоса можуть бути: нещільність прилягання манжет до стінок корпусу; злипання прорізів на гумових ковпачках ніпелів. Щоб усунути перший недолік слід вийняти поршень, відкрутивши муфту, відігнути краї манжет і змастити їх технічним вазеліном. Для усунення злипання ковпачків ніпелі викручують і в щілини-прорізи обережно вводять лезо ножа або безпечної бритви.
Щоб досягти найбільшого розрідження при користуванні ручним насосом, потрібно щоразу поршень доводити до граничного нижнього положення.
Насос Комовського
Насос Комовського (мал. 2) призначений для розрідження та нагнітання повітря при проведенні дослідів з фізики. Він може бути використаний у дослідах, які вимагають значного зниження тиску: досліди з трубкою Ньютона, магдебурзькі тарілки, утворення фонтану у вакуумі, спостереження тліючого розряду в двоелектродній трубці, досліди з вакуумною тарілкою та інші.
Мал. 2
Технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|
| 1 | Розрідження, створюване насосом | до 39,99 Па |
| 2 | Тиск, створюваний насосом | до 0,39 МПа |
Будова та дія насоса
Схематично будова насоса показана на мал. 3. Насос складається з циліндра Ц, всередині якого вгору і вниз рухається поршень П. Поршень приводиться в рух за допомогою кривошипа К і шатуна Ш. До нижньої частини циліндра за допомогою пружини притискається рухоме дно Д, яке одночасно служить і клапаном. При верхньому положенні поршня відкривається бічний отвір, прорізаний у циліндрі. Цей отвір сполучено з трубкою В, яка з’єднується при проведенні досліду з розріджуваним простором. Уся система знаходиться в корпусі, заповненому мінеральною оливою. Хід поршня розраховано так, що в нижньому положенні він тисне на клапан-дно, відкриває його, і частково виходить у оливу.
Мал. 3
Працює насос за принципом відсікання: при русі вгору між ним і дном виникає розріджений простір, куди через отвір заходить повітря, коли поршень знаходиться у верхньому положенні. При зворотньому русі поршень перекриває отвір, стискає повітря в циліндрі й виштовхує його в оливу. Назовні повітря виходить через патрубок Н.
Насос приводять у дію, обертаючи за ручку маховик. Маховик може одночасно служити шківом для обертання насоса за допомогою електродвигуна потужністю 250 Вт і пасової передачі. Конструкція насоса не допускає частоту обертання нищу за 3,33 об/с (150.. .200 об/хв).
Догляд за насосом
Після роботи необхідно відразу від’єднати насос від розріджуваного простору, знявши гумову трубку з патрубка приладу. У іншому випадку, коли поршень зупинився у верхньому положенні, в циліндрі утворюється розріджений простір. У цей простір під тиском атмосферного повітря просочується олива. За кілька годин воно заповнює циліндр і по трубці через патрубок проникне в прилад, з якого відкачували повітря.
У насос необхідно періодично доливати мінеральну оливу. Для цього викручують нагнітальний патрубок, через який доливають оливу, та гвинт рівня оливи, який знаходиться посередині стінки корпусу з протилежного від маховика боку. Коли олива з’являється в отворі рівня, заливку припиняють, контрольний отвір і штуцер загвинчують.
Ротаційний насос
Насос (мал. 4) призначений для розрідження та нагнітання повітря при проведенні дослідів з фізики. Він приводиться в дію двигуном змінного струму.
Мал. 4
Ротаційний насос з електродвигуном може бути використаний, коли необхідно швидко відкачати повітря в дослідах, пов’язаних з атмосферним тиском, електричним розрядом у розріджених газах, при демонстрації адіабатичного розширення повітря та інших. Технічно насос може накачувати повітря, але там, де можна застосувати інший насос, використовувати ротаційний насос для нагнітання недоцільно. При підвищенні тиску через сальники в корпусі насоса може витікати олива, залита в корпус.
Технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|
| 1 | Розрідження, створюване насосом | до 15 Па |
| 2 | Тиск, створюваний насосом | до 400 кПа |
| 2 | Напруга живлення двигуна змінного струму | 220 В |
| 2 | Потужність, споживана двигуном | 0,27 кВт |
Пуск двигуна здійснюється за допомогою кнопкового пускача.
Будову насоса показано на мал.5. Робота насоса грунтується на відсіканні повітря, яке поступає в циліндр насоса і трубки розрідження 1, та переміщення його до отвору з кульковим клапаном 2. Це здійснюється за допомогою лопаток 3 під час обертання ротора 4, який встановлено ексцентрично в циліндрі 5 корпусу насоса.
Мал. 5
Мал. 6
Тарілка до вакуум-насоса
У дослідах з різних розділів курсу фізики разом з насосами використовується вакуумна тарілка. Тарілка (мал. 6) - це масивний чавунний чи пластмасовий диск діаметром 225 мм із з’єднувальним каналом 1, краном 4, ніпелями 3, 9. Ніпель 3 призначений для одягання гумової трубки від насоса. Ніпель 9 в центрі тарілки можна легко викрутити і прибрати з неї. Для контролю за розрідженням під ковпаком служить манометр 2. На тарілці встановлено два затискачі 6, на які можна подавати напругу через клеми 7, встановлені на основі. Вакуум створюється під товстостінним скляним ковпаком 5 діаметром 200 мм та висотою 250 мм. Між його пришліфованими бортами та диском у спеціальному кільцевому пазі прокладено гумове кільце 8. Для з’єднання тарілки з розріджувальним штуцером вакуумного насоса використовуються спеціальні вакуумні товстостінні гумові шланги, які не сплющуються при відкачуванні повітря. Вони застосовуються і в інших випадках, коли в закритих об’ємах створюється розрідження.
Заходи безпеки при роботі з насосами
При увімкнутому в мережу електроживлення ротаційному насосі забороняється торкатися руками струмопідвідних частин і проводів.
При проведенні дослідів з відкачуванням повітря потрібно переконатися, що ковпак вакуумної тарілки чи інша посудина, з якої відкачується повітря, не має механічних пошкоджень.
При демонстрації дослідів з використанням вакуумної тарілки та скляних колб потрібно уникати різких струсів та
ударів.
Особливо обережним потрібно бути при з’єднанні скляних трубок із шлангами насосів. Для полегшення введення і трубок у шланги доцільно змащувати кінці трубок технічним вазеліном.
Підготовка до роботи
1. Ознайомитися за паспортами на прилади з будовою ручного повітряного насоса Шінца, вакуумно-нагнітального насоса Комовського, ротаційного насоса та вакуумної тарілки з ковпаком.
2. Записати в конспект основні технічні характеристики насосів і правила їх експлуатації.
3. Зробити схематичні малюнки для пояснення принципів дії насосів.
4. Обрати заліковий рівень завдання, згідно графіка відібрати демонстрації й ознайомитися з їх описом. Скласти конспект їх проведення.
| Заліковий рівень | № досліду |
|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|
| Низький | X | X | | | X | | X |
|---|
| Середній | X | | X | | X | X | X |
|---|
| Високий | X | | X | X | X | X | X |
|---|
Познайомитися з поясненням до дослідів за підручниками з фізики для середньої школи.
Скориставшись програмою з фізики для середньої школи, скласти перелік демонстрацій, для яких потрібні повітряні насоси.
ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Дослід №1-01. Будова і дія насоса Шінца
Познайомтеся із зовнішньою та внутрішньою будовою насоса Шінца. Розберіть насос, відгвинтивши верхню та нижню муфти. Розгляньте будову поршня та ніпелів. Переконайтеся у їх справності. Зберіть насос.
Дослід №1-02. Дія демонстраційного манометра
Обладнання. Насос Шінца, демонстраційна модель металевого манометра.
Мал. 7
Відрізком гумового шланга приєднайте спочатку нагнітальний насос до нагнітального патрубка манометра (мал. 7). Відкрийте кран на штуцері манометра, який з’єднаний з насосом та закрийте кран на протилежному штуцері. Зробіть кілька рухів поршня, натискаючи на ручку штоку. Зафіксуйте значення тиску за показами манометра.
Повторіть те ж саме, приєднавши до манометра розріджувальний штуцер насоса. Запишіть значення тиску, створеного насосом у манометрі.
Дослід №1-03. Дія атмосферного тиску
Обладнання. Насос Шінца, магдебурзькі тарілки, два штативи з муфтами та стрижнем, гиря масою 5 кг.
Мал. 8
Зберіть установку, зображену на мал. 8.
Для цього приєднайте розріджувальний штуцер за допомогою шлангу до патрубка магдебурзьких тарілок. З’єднайте магдебурзькі тарілки, попередньо змазавши фланець однієї з них технічним вазеліном. (Вазелін використовується лише в тарілках, які мають пришліфовані торці, без гумової прокладки). Відкрийте кран на штуцері тарілки та зробіть кілька рухів поршнем.
Переконавшись, що тарілки міцно тримаються, закрийте кран на штуцері тарілки. Підвісьте тарілки на поперечному стрижні між штативами за одну з ручок, а на іншу ручку повісьте вантаж (мал. 8).
Дослід №1-04. Фонтан у вакуумі
Обладнання. Насос Шінца, прилад для демонстрації фонтану у вакуумі, скляна посудина з водою.
Відкачавши з посудини з трубкою повітря (мал. 9), перекрийте кран на скляній трубці (або перетисніть затискачем гумову трубку). Опустіть кінець трубки в посудину з водою і відкрийте кран.
Мал. 9
Дослід №1-05. Будова й дія насоса Комовського
Обладнання. Насос Комовського, вакуумна тарілка з ковпаком, прилад для демонстрації фонтану у вакуумі.
1. Познайомтесь із будовою насоса Комовського. Зробіть зовнішній огляд приладу.
2. Визначте положення нагнітального та всмоктувального штуцерів.
3. Використайте насос Комовського для демонстрації фонтану у вакуумі.
Дослід №1-06. Звук у вакуумі
Обладнання. Насос Комовського, вакуумна тарілка з ковпаком, електричний дзвінок, джерело живлення.
Помістіть на тарілку модель електричного дзвоника (мал. 10). Приєднайте його до затискачів і підключіть до клем тарілки (через вимикач) - джерело струму. Накрийте дзвоник скляним ковпаком. Під’єднайте за допомогою вакуумного шланга насос Комовського до штуцера тарілки. Замкніть коло живлення дзвінка й відмітьте рівень звуку, який надходить від нього з-під ковпака. Відкачуйте повітря й спостерігайте зменшення гучності звучання дзвоника в міру зниження тиску під дзвоном.
Для забезпечення герметичності між ковпаком та основою тарілки гумову прокладку можна змочити водою (але
не мінеральною оливою).
Мал. 10
Дослід №1-07. Будова й дія ротаційного насоса
Обладнання. Ротаційний насос, вакуумна тарілка із ковпаком, прилад для демонстрації фонтану у вакуумі.
Познайомтеся із зовнішньою будовою ротаційного насосу. Перевірте рівень оливи в ньому. Визначте розміщення нагнітального та всмоктувального штуцерів.
Повторіть з ротаційним насосом ті ж досліди, що й з насосом Комонського (див. Д.1 і Д.2). Порівняйте ефективність дії насосів.
Примітка. Після роботи обов’язково знімайте шланги зі всмоктуючих штуцерів.
|
Самоконтроль і звітність
1. Виконайте дослід з насосом, визначений викладачем.
2. Дайте відповіді на наступні питання відповідно до завдань.
- Яка будова ручного насоса Шінца?
- Яка конструкція клапанів ручного насоса Шінца?
- Як працює насос Шінца на розрідження та нагнітання?
- Як виконати профілактичний ремонт насоса Шінца (поршня, ніпелів)?
- Чи можна використати насос Шінца для демонстрації звуконепроникності вакууму, демонстрації тліючого розряду?
- Пояснити дію насоса Комовського.
- Як перевірити рівень оливи в насосі Комовського?
- Як, за необхідності, долити оливу в насос Комовського, ротаційний насос?
- У чому полягає принципова відмінність насоса Комовського від ротаційного насоса?
- Чому після відкачування повітря з тієї чи іншої ємності насос Комовського не можна залишати з’єднаним із нею?
- 3а яким принципом діє ротаційний насос?
- При вивченні яких тем шкільного курсу фізики в демонстраційному експерименті використовуються насоси, для постановки яких демонстрацій може бути використаний кожен з цих насосів?
|
4. Виконайте творче завдання, запропоноване викладачем.
