Устройство для проведения лабораторных работ

Полезная модель направлена на решение технической задачи расширения функциональных возможностей и универсальности устройства для проведения лабораторных работ, в том числе и увеличения аудитории, непосредственно вовлеченной в одновременное выполнение разных лабораторной заданий, а также упрощения сборки-разборки, распределения устройств между учениками и последующей укладки на хранение. Устройство оснащено элементами, необходимыми для выполнения разнообразных опытов по физике, механике, динамике, включающими беговую дорожку в виде желоба со стенками и линейной шкалой и продольной магнитной полосой, каретку с отверстиями, шкивы, секундомер, магнитные датчики, разборный штатив в виде вертикального стержня и основания с отверстием для стержня, крестообразную муфту, грузы с подвесными крючками, динамометр со шкалой, измерительной пружиной и подвесным крючком, цилиндрическую пружину с крючками на концах, рычаг с продольно расположенными отверстиями, контактно-чувствительный экран, шарик стальной. Выполненные особым образом, беговая дорожка, секундомер, грузы, наличие пластиковых переносных коробок обеспечивают достижение технического результата;

Полезная модель относится к учебным пособиям и предназначена для проведения лабораторных работ по физике, механике, динамике.

Известно устройство учебно-наглядного пособия L-микро для изучения явлений механики, содержащее снабженные магнитными полосками беговую дорожку в виде желоба с линейной шкалой, каретку с датчиками, шкивы и грузы (см. свидетельство на полезную модель RU №0006256, Кл. G09В 23/06). Это устройство предназначено для работы с одним учеником, остальные в это время могут только наблюдать за проведением лабораторной работы.

Известно учебное пособие для изучения законов механики, содержащее беговую дорожку, выполненную в виде двутаврового желоба с прозрачной передней стенкой и закрепленной на ней мерной шкалой и продольными магнитными полосками на наружной поверхности задней стенки, а внутри желоба установленную на перемычке перемещающуюся каретку с флажками, боковыми вращающимися фиксаторами и магнитными полосками на ее основании, перекинутый через шкив тросик с грузом на конце, датчики положения каретки, стартовое устройство, буфер, указатель, транспортир, при этом пособие дополнительно снабжено цифровым командно-измерительным блоком, набором грузов, бруском с отверстиями и крючком (см. патент на изобретение RU №2314571, Кл. G09В 23/06). Это учебное пособие основано на получении оптоэлектрических эффектов, является достаточно сложным и предназначено только для изучения физических законов статики и динамики.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является устройство для проведения лабораторных работ по механике, содержащее магнитное основание, беговую дорожку в виде желоба со стенками

и линейной шкалой и продольной магнитной полосой, каретку с отверстиями, грузы, шкивы, секундомер, магнитные датчики, разборный штатив в виде вертикального стержня и основания с отверстием для стержня, крестообразную муфту, грузы с подвесными крючками, динамометр со шкалой, измерительной пружиной и подвесным крючком, цилиндрическую пружину с крючками на концах, рычаг с продольно расположенными отверстиями, контактно-чувствительный экран, шарик стальной (см. свидетельство на полезную модель RU №14690, Кл. Кл. G09В 23/06, 2000 г.). Это устройство позволяет преподавателю работать со всей аудиторией одновременно, проводя достаточно большое количество опытов. Однако расширение функций устройства проявляется в увеличении его размеров и габаритов, что становится особенно неудобным, когда в течение занятий нужно провести несколько лабораторных работ с разными устройствами.

Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи расширения функциональных возможностей и универсальности устройства для проведения лабораторных работ, в том числе увеличения аудитории, непосредственно вовлеченной в одновременное выполнение разных лабораторной заданий, а также упрощения сборки-разборки, распределения устройств между учениками и последующей укладки на хранение.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в устройстве для проведения лабораторных работ, содержащем магнитное основание, беговую дорожку в виде прямолинейного желоба со стенками и линейной шкалой, продольной магнитной полосой, каретку с глухими отверстиями, шкивы, секундомер, датчики, разборный штатив, крестообразную муфту, грузы, подвесные крючки, динамометр, измерительную пружину и подвесными крючком, рычаг с продольно расположенными отверстиями, контактно-чувствительный экран, шарик стальной, при этом

- устройство снабжено рабочей рейкой, на лицевой стороне которой выполнена основная беговая дорожка с плоским дном и стенками, к одной из которых примыкает горизонтальная продольная полка с овальным

отверстием, причем отверстие выполнено в полке на большем расстоянии от одного края, чем от другого, в соотношении 0,73÷0,63, а внешняя сторона основания рейки снабжено дополнительной беговой дорожкой, выполненной в виде двух параллельных вертикальных направляющих с трамплином на одних концах, и двумя вертикальными ребрами, расположенными по разные стороны от дополнительной беговой дорожки, причем верхние торцы вертикальных ребер выполнены криволинейно-вогнутыми в центральной части, с примыкающими к ней с двух сторон прямолинейными участками и примыкающим к одному прямолинейному участку скосом со стороны противоположной трамплину, вертикальные направляющие выполнены меньшей высотой, чем высота вертикальных ребер прямолинейных участков, снабженных выемками и примыкающими к выемкам и расположенными между вертикальными направляющими и ребрами опорными площадками с магнитными вставками, а в зоне скоса выполнены две внутренние плоские перемычки к одной из которых примыкают другие торцы вертикальных направляющих;

- каретка снабжена двумя ушками, расположенными на ее торцах и выполненными в виде плоских вертикальных ребер со сквозным отверстием, и плоским боковым выступом с магнитной вставкой на его верхней стороне;

- грузы выполнены в виде параллелепипедов с сопрягаемыми между собой торцевыми зацепами, один из которых имеет Т-образную форму с отверстием, а другой имеет сквозной Т-образный паз и ограничитель, расположенный ниже паза, при этом на нижней плоскости основания груза выполнен цилиндрический фиксатор, сопрягаемый с глухим отверстиями каретки;

- секундомер снабжен электронным табло, кнопками пуска и сброса и разъемом на торцевой поверхности для присоединения разъема спаренных датчиков, выполненных в виде нормально разомкнутого магнитоуправляемого

контакт-геркона, установленного в зоне окна на внутренней поверхности крышки корпуса выполненного в виде короба;

- устройство дополнительно снабжено динамометром, выполненным в виде полого прозрачного цилиндра с заглушками в торцах, одна из которых снабжена хвостовиком, расположенным внутри цилиндра, к которому подвешена измерительная пружина, свободный конец которой снабжен штоком с ограничителем движения, а противоположная заглушка снабжена сквозным отверстием для свободного продольного перемещения в нем штока, хвостовик которого расположен вне цилиндра и снабжен петлей;

- крестообразная муфта выполнена в виде двух С-образных элементов, жестко соединенных между собой торцевыми полками с разворотом на 90°, а в свободных других торцевых полках выполнены отверстия с резьбой и установленными в них фиксирующими винтами;

- устройство снабжено основной пластиковой коробкой, со ступенчатой горизонтальной отбортовкой по всему периметру верхних кромок стенок, имеющих разнесенные по вертикали выступы на внешних поверхностях, внутри которой установлен пластиковый вкладыш с горизонтальной отбортовкой стенок, сопрягаемой со ступенькой основной коробки и с ложементами, выполненными в днище вкладыша и соответствующими профилю укладываемых элементов устройства, и дополнительными пластиковыми коробками, одна - для укладки частей штатива устройства, а другая - для укладки дополнительных динамометров устройства.

Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 изображено устройство для проведения лабораторных работ, расположенное в коробке, на фиг.2 - устройство, размещенное на магнитном основании, на фиг.3 - вид А фиг.2, на фиг.4 - вид В фиг.3, на фиг.5 - груз, вид спереди, на фиг.6 - груз, вид сверху, на фиг.7 - крышка датчика, на фиг.8 - корпус датчика, на фиг.9 - динамометр, на фиг.10 - основная пластиковая коробка, вид сбоку, на фиг.11 - пластиковая коробка, предназначенная для укладки частей штатива устройства, вид сверху, на фиг.12 - пластиковая коробка, предназначенная

для укладки дополнительных динамометров, вид сверху. На фиг.13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 представлены поясняющие фрагменты проведения лабораторных работ. На фиг.13 - фрагмент устройства в сборе для изучения работы неподвижного шкива, на фиг.14 - фрагмент устройства в сборе для изучения работы подвижного шкива, на фиг.15 - фрагмент устройства в сборе для определения КПД при подъеме тела по наклонной плоскости, на фиг.16 - фрагмент устройства в сборе для изучения «золотого правила» механики, на фиг.17 - фрагмент устройства в сборе для измерения скорости неравномерного движения, на фиг.18 - фрагмент устройства в сборе для изучения движения тела, брошенного горизонтально, на фиг.19 - фрагмент устройства в сборе для определения ускорения.

Устройство для проведения лабораторных работ включает магнитное основание 1, рабочую рейку 2, на лицевой стороне которой выполнена беговая дорожка 3 со стенками 4 и 5, линейная шкала 6 и продольная магнитная полоска 7, каретку 8 с отверстиями 9, подвижный шкив 10 и неподвижный шкив 11, секундомер 12, датчики 13, разборный штатив в виде вертикального стержня 14, горизонтального стержня 15 и основания 16 с отверстием 17 для стержня 14, крестообразную муфту 18, грузы 19, динамометр 20, измерительную пружину 21, подвесные крючки 22, рычаг 23, контактно-чувствительный экран 24, шарик стальной 25, пластиковый коврик 26, нить 27.

Рабочая рейка 2 снабжена боковой продольной полкой 28 примыкающей к стенке 4 беговой дорожки 3 с ассиметрично расположенным овальным отверстием 29. Отверстие 29 выполнено в полке 28 на большем продольном расстоянии от одного края, чем от другого. С обратной стороны беговой дорожки 3 рабочей рейки 2 выполнена дополнительная беговая дорожка 30. Дополнительная беговая дорожка 30 выполнена в виде двух параллельных направляющих 31 и 32. Параллельно направляющим 31, 32 выполнены внешние ребра 33, 34, верхняя кромка которых выполнена с криволинейной вогнутой средней частью 35, примыкающими к этой части с

двух сторон прямолинейными частями 36, 37, к одной из которых примыкает скос 38. Параллельные направляющие 31, 32 выполнены меньшей высоты, чем внешние ребра 33, 34. Верхние кромки параллельных направляющих 31, 32 с одной стороны имеют небольшое постепенное увеличение высоты в виде трамплина 39, противоположное скосу 38 на параллельных направляющих 31, 32. Внешние ребра 33, 34 на прямолинейных частях 36, 37 снабжены выемками 40, опорными площадками 41 с магнитными вставками 42, а в зоне скоса 38 соединены двумя перпендикулярными плоскими перемычками 43.

Каретка 8 снабжена двумя торцевыми захватами 44, расположенными с противоположных торцевых сторон и выполненными в виде плоских вертикальных ребер со сквозным отверстием 45, и дополнительным плоским боковым выступом 46 с магнитной вставкой 47 на его верхней поверхности. Крестообразная муфта 18 выполнена в виде двух С-образных элементов 48 соединенных торцевыми частями с разворотом на 90 градусов, а свободные торцы элементов 48 выполнены с резьбовыми отверстиями, в которых перемещаются подвижные винты 49. Грузы 19 выполнены в виде параллелепипедов с сопрягаемыми между собой торцевыми захватами 50, 51. На одном торце груза 19 захват 50 выполнен Т-образной формы с отверстием 52, а на другой торце захват 51 имеет сквозной Т-образный паз, ниже которого расположен ограничитель 53. На нижней плоскости основания грузов 19 выполнены цилиндрический фиксатор 54, сопрягаемый с отверстиями 9 каретки 8. Секундомер 12 снабжен электронным табло 55 кнопками пуска и сброса и разъемом 56 для присоединения разъема 57 датчиков 13. Каждый датчики 13 выполнен в виде нормально разомкнутого магнитоуправляемого контакт-геркона 58, установленного в зоне окна 59 на внутренней стороне крышки 60, закрепляемой на коробчатом корпусе 61, снаружи крышка 60 снабжена магнитной полоской 62. Пружина 21 выполнена с крючками 63 на концах, снабжена двухрожковым флажком 64 и предназначена для изучения коэффициента жесткости пружин. Рычаг 23

выполнен с продольно расположенными отверстиями 64, и перемещаемыми балансирами 65.

В некоторых случаях, когда требуется высокая точность измерений, устройство дополнительно комплектуется дополнительным динамометром 66, снабженным корпусом 67 в виде полого прозрачного цилиндра с заглушками 68 и 69 на торцах. Торец заглушки 68, расположенный внутри корпуса 67 снабжен хвостовиком 70 с отверстием 71, в которое входит петля 72 измерительной пружины 73, второй конец пружины снабжен подвешенным штоком 74 с ограничителем движения. Пластиковая заглушка 69 выполнена отверстием 75 для свободного продольного перемещения в нем штока 74 пружины 73. На заглушке 68 закреплен держатель 76, проходящий сквозь поперечное отверстие в корпусе 67 и фиксирующий заглушку 68 относительно корпуса 67 динамометра 66. Шток 74 заканчивается петлей 77.

Устройство для проведения лабораторных работ снабжено основной переносной пластиковой коробкой 79, см. фиг.1, 10 и дополнительными 80, 81, все коробки снабжены вкладышами 82, 83, 84, как коробки, так и вкладыши выполнены из кислотоустойчивого материала, причем вкладыши выполнены с ложементами, соответствующими профилю укладываемых элементов устройства. Основная коробка 79 предназначена для укладки основных элементов устройства. Другая пластиковая коробка 80 со своим вкладышем 83 предназначена для укладки стрежней 14, 15 и оснований 16 нескольких штативов одновременно, а третья коробка 81 с вкладышем 84 - для укладки дополнительных динамометров 66. Для удобства рассмотрения на фиг.11, 12 нумерация ложементов соответствует нумерации элементов устройства, которые в него укладывают. Устройство снабжено методическими указаниями (на чертеже не показано) по проведению лабораторных заданий.

Пластиковые коробки 79, 80 и 81 выполнены с горизонтальной ступенчатой отбортовкой 86 по всему периметру верхних кромок стенок 87 коробок. Каждая стенка 87 имеет на внешней стороне вертикальные выступы

88, обеспечивающие жесткость, а каждый вкладышем 82, 83, 84 с отбортовкой 89, взаимодействующей со ступенькой 90 отбортовки 86. При вкладывании вкладышей в коробки, вкладыши опираются своими отбортовками 89 на ступеньку 90 отбортовок 86, а днища ложементов вкладышей устанавливаются на дно коробок 79, 80 и 81.

Устройство для проведения лабораторных работ используется для проведения разнообразных опытов по изучению законов физики, механики, динамики. Его конструкция, взаимосвязанность элементов и комплектация пластиковых коробок 79, 80 и 81 позволяет быстро распределять приборы между учащимися, собирать и разбирать устройство в разных видах и для проведения различных опытов, а по окончании опыта быстро укладывать элементы устройства в коробки и переходить к другим занятиям. Коробки выполнены из прочного легкого пластика, а распределение элементов устройства по коробкам рассчитано на то, что любой ученик сможет легко поднять коробку, не нарушая требований техники безопасности, заключающихся в ограничении по весу. Ложементы вкладышей соответствуют профилю укладываемых элементов устройства, поэтому ученики не тратят время на то, чтобы найти место, куда укладывать прибор. После укладывания элементов устройства в коробки каждая из них сверху устанавливается на предыдущую таким образом, что выступы 88 основной коробки нижними торцами опираются на отбортовку вкладышей нижней коробки. В результате каждая верхняя коробка служит крышкой для нижней, а каждая нижняя коробка служит опорой для верхней.

Устройство работает следующим образом. В соответствии с методическими указаниями по проведению того или иного опыта, учащиеся из коробок отбирают необходимые элементы устройства и подготавливают, т.е. собирают их, для проведения опыта.

Приведем несколько примеров.

Благодаря удобной конструкции переносных коробок, среди учащихся быстро распределяются нужные коробки и приборы, а учащиеся, легко и

быстро собирают устройство в той комплектации, которое требуется для данного опыта. Их сборка и разборка занимают мало времени. Поэтому на протяжении урока у преподавателя есть возможность провести несколько опытов. Поскольку грузы выполнены в виде параллелепипедов с сопрягаемыми между собой захватами, причем на одной стороне груза выполнен Т-образной формы, а на другой стороне захват имеет сквозное Т-образный паз, увеличение количества грузов выполняется в опыте легким движением руки, не требует ни времени, ни дополнительных усилий на сборку. Причем собранная конструкции грузов компактна и устойчива.

Наличие выемок 40 на внешних ребрах 32, 33 дает возможность устанавливать рабочую рейку под наклоном, с опорой выемками 40 на горизонтальном стержне 15. А наличие опорных площадок 41 с магнитными вставками 42 дает возможность устанавливать рейку на намагниченную плоскость, плотно фиксируя ее в нужном положении. Поскольку каретка 8 снабжена двумя захватами 44, расположенными с противоположных ее сторон и выполненными в виде плоских вертикальных ребер со сквозным отверстием 45, к которому присоединяют динамометра 20, а к противоположному захвату 44 по мере необходимости цепляют груз 19.

При изучении «золотого правила» механики учащиеся собирают устройство, представленное на фиг.16. В этом опыте используется рычаг 23. Перемещая балансиры 65 вдоль рычага 23, учащиеся находят его горизонтальное положение. К одному из отверстий 64 рычага 23 подвешивают грузы 19, а к другому - присоединяют динамометр 21. Изменяя положение грузов 19 и динамометра 21, учащиеся определяют силу тяжести и величину работы по подъему грузов.

На фиг.17 изображено устройство в сборе для измерения скорости неравномерного движения. В этом опыте дополнительно используется секундомер с датчиками. Благодаря наличию дополнительного плоского бокового выступа с магнитной полоской на его верхней стороне положение каретки фиксируется датчиками. Учащиеся измеряют расстояние между

датчиками, производят несколько пусков каретки, а затем определяют скорость ее перемещения. Снабжение секундомера электронным табло и разъемом для присоединения разъема датчиков, а датчиков с пластмассовыми корпусами чувствительными элементами дает возможность повысить точность измерений движения каретки.

На фиг.18 представлено устройство в сборе для изучения движения тела, брошенного горизонтально. Учащиеся используют многофункциональную рабочую рейку и устанавливают ее на вертикальном стержне, проходящем через овальное отверстие, таким образом, чтобы дополнительная беговая дорожка оказалась вверху. Благодаря ассиметричному расположению отверстия на полке рейка подвешивается на стержне под углом к плоскости стола так, что трамплин обеспечивает горизонтальное движение стального шара в сторону контактно-чувствительного экрана. На экране остается след от удара шара. Измеряя дальность броска шарика и высоту полета, учащиеся определяют расчетные зависимости. На фиг.19 изображено устройство в сборе для определения ускорения движения каретки по величине действующей на нее силы и массы грузов. На каретку сверху можно установить три груза, а при необходимости любое количество грузов можно цеплять к противоположному захвату.

После проведения опытов каждый ученик укладывает свой комплект элементов устройства в основную коробку, а элементы штатива укладывают в дополнительную коробку.

Таким образом, заявленная полезная модель решает техническую задачу расширения функциональных возможностей и универсальности устройства для проведения лабораторных работ, в том числе и увеличения аудитории, непосредственно вовлеченной в одновременное выполнение разных лабораторной заданий, а также упрощения сборки-разборки, распределения устройств между учениками и последующей укладки на хранение.

1. Устройство для проведения лабораторных работ, содержащее магнитное основание, беговую дорожку в виде прямолинейного желоба со стенками и линейной шкалой, продольной магнитной полосой, каретку с глухими отверстиями, шкивы, секундомер, датчики, разборный штатив, крестообразную муфту, грузы, подвесные крючки, динамометр, измерительную пружину и подвесной крючок, рычаг с продольно расположенными отверстиями, контактно-чувствительный экран, шарик стальной, при этом

устройство снабжено рабочей рейкой, на лицевой стороне которой выполнена основная беговая дорожка с плоским дном и стенками, к одной из которых примыкает горизонтальная продольная полка с овальным отверстием, причем отверстие выполнено в полке на большем расстоянии от одного края, чем от другого, в соотношении 0,73÷0,63, а внешняя сторона основания рейки снабжена дополнительной беговой дорожкой, выполненной в виде двух параллельных вертикальных направляющих с трамплином на одних концах, и двумя вертикальными ребрами, расположенными по разные стороны от дополнительной беговой дорожки, причем верхние торцы вертикальных ребер выполнены криволинейно-вогнутыми в центральной части с примыкающими к ней с двух сторон прямолинейными участками и примыкающим к одному прямолинейному участку скосом со стороны, противоположной трамплину, вертикальные направляющие выполнены с меньшей высотой, чем высота вертикальных ребер прямолинейных участков, снабженных выемками и примыкающими к выемкам и расположенными между вертикальными направляющими и ребрами опорными площадками с магнитными вставками, а в зоне скоса выполнены две внутренние плоские перемычки, к одной из которых примыкают другие торцы вертикальных направляющих; каретка снабжена двумя ушками, расположенными на ее торцах и выполненными в виде плоских вертикальных ребер со сквозным отверстием, и плоским боковым выступом с магнитной вставкой на его верхней стороне; грузы выполнены в виде параллелепипедов с сопрягаемыми между собой торцевыми зацепами, один из которых имеет Т-образную форму с отверстием, а другой имеет сквозной Т-образный паз и ограничитель, расположенный ниже паза, при этом на нижней плоскости основания груза выполнен цилиндрический фиксатор, сопрягаемый с глухим отверстиями каретки; секундомер снабжен электронным табло, кнопками пуска и сброса и разъемом на торцевой поверхности для присоединения разъемов спаренных датчиков, выполненных в виде нормально разомкнутого магнитоуправляемого контакт-геркона, установленного в зоне окна на внутренней поверхности крышки корпуса, выполненного в виде короба; устройство дополнительно снабжено динамометром, выполненным в виде полого прозрачного цилиндра с заглушками в торцах, одна из которых снабжена хвостовиком, расположенным внутри цилиндра, к которому подвешена измерительная пружина, свободный конец которой снабжен штоком с ограничителем движения, а противоположная заглушка снабжена сквозным отверстием для свободного продольного перемещения в нем штока, хвостовик которого расположен вне цилиндра и снабжен петлей; крестообразная муфта выполнена в виде двух С-образных элементов, жестко соединенных между собой торцевыми полками с разворотом на 90°, а в свободных других торцевых полках выполнены отверстия с резьбой и установленными в них фиксирующими винтами; устройство снабжено основной пластиковой коробкой, со ступенчатой горизонтальной отбортовкой по всему периметру верхних кромок стенок, имеющих разнесенные по вертикали выступы на внешних поверхностях, внутри которой установлен пластиковый вкладыш с горизонтальной отбортовкой стенок, сопрягаемой со ступенькой основной коробки и с ложементами, выполненными в днище вкладыша и соответствующими профилю укладываемых элементов устройства, и дополнительными пластиковыми коробками, одна - для укладки частей штатива устройства, а другая - для укладки дополнительных динамометров устройства.