Учебный прибор по физике

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (и)1001155 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 21.0981 (21) 3353326/18-12 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—

Опубликовано 28.02,83. Бюллетень ¹ 8

Дата опубликования описания 280283 (51)M Кп з

G 09 В 23/06

Государственный комитет

СССР оо делам изобретений и открытий (53) УДК 681.136..51(088.8) (72) Автор изобретения

Л.Л. Мазаев (71)заявитель (54) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ

Изобретение относится к учебным приборам по физике.

Известен учебный прибор по физике, содержащий стержневой сердечник, на одной поверхности которого закреплен полый кронштейн с расположенным на его верхней поверхности ползуном, осветителем и фотоприемником, электрически соединенным с регистратором, и блок питания (1) .

Недостатком известного устройства является невысокая эффективность обучения.

Цель изобретения — повышение эффективности обучения.

Поставленная цель дотигается тем, что учебный прибор по физике, содержащий стержневой сердечник с обмоткой, на одной поверхности которого 2() закреплен полый кронштейн с располо-. женными на его верхней поверхности ползуном, осветителем и фотоприемником, электрически соединенным с регистратором, и блок питания, имеет звуковой генератор, переключатель, диод, потенциометры, дополнительную обмотку, пневмокомпрессор и пневмо привод, один конец которого сообщается с полостью кронштейна, а другой подключен к выходу пневмокомпрессора, при этом первый выход блока питания соединен с первым выходом звукового генератора и первым выводом первого потенциометра, второй вывод которого связан с одним выводом обмотки, подключенной другим выводом к второму выходу блока питания и через переключатель к второму выводу звукового генератора, который третьим выводом соединен с первым выводом второго потенциометра, который вторым выводом связан с одним из выводов дополнительной обмотки, подключенной другим выводом к аноду диода, соединенного катодом с четвертым выводом зву кового генератора.

На фиг. 1 схематически изображен учебный прибор по физике; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг,3» кривые зависимости центробежной и ку» лоновской сил от радиуса орбиты; на фиг. 4 — элементы орбит движения пол» зуна; на фиг. 5 — траектории движений ползуна при параметрическом резонансе.

На фиг. 4 и 5 приняты следующие обозначения: Х, У вЂ” оси координат, а — большая полуось эллипса, b — малая .полуось эллипса, Р— фокальный параметр, F, F — фокусы эллипса, I

1001155 р««> максимальный радиус эллипса, (>«>,„ — минимальный радиус эллипса, угловая скорость полэуна при изохронной ротации, М< — угловая скорость либрации эллипсной орбиты ползуна.

Учебный прибор по физике содержит жедеэный сердечник 1, на котором размещены первая 2 и вторая 3 обмотки.

На верхний конец сердечника 1 надета полая столешница 4 с бортиком 5, а полость 6 столешницы 4 соединена 10 пневмоприводом 7 с пневмокомпрессо ром 8. Осветитель 9 установлен на сердечнике 1, а фотоприемник 10 — на бортике 5 и электрически соединен с регистратором 11. Железный полэун 12 ( может двигаться по верхне>< плоскости

13, которая снабжена многочисленными тонкими отверстиями .14. Первый выход блока 15 питания соединен с первым входом звукового генератора 16 и че- 20 рез потенциометр 17 — с входом первой обмотки 2. Второй выход блока 15 питания соединен с выходом первой обмотки 2 и через переключатель 18 — с вторым входом 3Bукового генератора 25

16. Первый выход генератора 16 через потенциометр 19 соединен с входом второй обмотки 3. Выход второй обмотки 3 через диод 20 соединен с вторым выходом генератора 16. На верхней плоскости 13 столешницы 4 яркой краской нанесены концентрические окружности 21. Кроме этого, на фиг. 3-5 кривая 22 обозначает изменение центробе>кной силы Fz от радиуса орбиты кривая 23 — изменение магнитной кулононской силы F< от радиуса кривая 24 — результирующая этих двух сил, кривая 25 — круговая орбита,. кривая 26 — эллиптическая орбита, 27 — ось эллипса.

При этом первый выход блока 15 питания соединен с перным выводом звукового генератора 16 и первым выводом первого потенциометра 17, второй вывод которого связан с одним выводом обмотки 2, подключенной другим выводом к второму выходу блока 15 питания и через переключатель 18 — к второму выводу звукового генератора

16, который третьим выводом соединен 50 с первым выводом второго потенциомет ра 19, который вторым выводом связан с одним из выводов дополнительной обмотки 3, подключенной другим выводом к аноду диода 20, соединенного като- 55 дом с четвертым выводом звукового генератора 16.

На предлагаемом учебном приборе по физике демонстрируют изохронную ротацию тепла в поле тяготения магнит@3 ных сил Кулона и параметрический резонанс изохронной ротации.

Изохронная ротация возможна н том случае, если на круговой орбите обращающееся тело удерживается другим

1. 2 (1) где F+ — центробежная сила;

m — масса ползуна;

Я вЂ” радиус орбиты; телом, силой взаимного притяжения изменяющейся по обратнокнадратичному закону от расстояния между телами.

В прототипе изохронная ротация шара по плоскости параболоида обусловлена Ньютоновой силой взаимного притяжения шара и земли.

В предлагаемом приборе изохронная ротация обусловлена наличием удерживающей силы, развиваемой электромагнитом, Изохронная ротация от сил тяготения означает движение тела по круговой (эллипсной) орбите с Постоянным периодом обращения, обусловленное наличием сил тяготения между обращающимся телом и телом, относительно которого происходит движение.

Изохронная ротация Земли вокруг

Солнца обусловлена наличием силы взаимного тяготения.

Перед. демонстрацией иэохронной ратации тела оператор устанавливает в среднее положение потенциометр 17, включает осветитель 9, регистратор

11, компрессор 8 и блок 15 питания в сеть, при этом переключатель 18 разомкнут.

Компрессор 8 начинает нагнетать воздух в полость б столешницы 4, который затем выходит через отверстия

14 в верхней плоскости 13, в результате чего между ползуном 12 и верхней плоскостью 13 образуется воздушная подушка, обеспечивающая ползуну минимальное трение.

После подготовки оператор прижимает к бортику 5 ползун 12 и энергично толкает его по кругу. В результате этого ползун обращается по кругоной орбите вокруг полюса электромагнита с собственной частотой и каждый раз пересекает луч света, падающий от осветителя 9 на фотоприемник 10, а регистратор 11, связанный с фотоприемником 10, за каждый оборот измеряет угловую скорость 6>

На движущийся по круговой орбите радиусом Я ползун действует центробежная сила F, которая уравновешена кулоновской сЪлой F магнитного при.К тяжения. Кроме того, ползун обладает моментом количества движения

Демонстрирование изохронной ротации тела в поле тяготения магнитных сил Кулона сводится к исследованию уравнения:

Г> = СД YYlJ3

1.1

<>> <>> 2 к =Р

tl и< > 7

1.3

1001155 (4) Є— кулоновская сила;

m — масса полз уна в абсолютных

I магнитных единицах;

m — масса электромагнита в абсо2 лютных,магнитных единицах; бд — угловая скорость;

Ь вЂ” момент количества движения.

Графическое решение уравнения (1) представлено на фиг. 3.

На результирующей 24 имеется нотенциальная яма, наличие которой ука- 0 зывает на то, что данная система обладает резонансными свойствами, а ползун.12 имеет собственную частоту обращения, не зависящую от радиуса„О .(Дж. Орир . Популярная физика, M.,,15

1969, с. 94-95).

Если момент количества движения уменьшился от значения h до h(, то угловая скорость 0 уменьшится до скорости ц) (уравнение 1.3) . Это приво- Я дит к уменьшению центробежной силы

Fy (уравнение 1.1), в результате че.й"о кулоновская сила уменьшит радиус Р орбиты (уравнение 1.2), а уменьшение радиуса 0 приводит угловую ско- 35 рость к исходной резонансной Ю (уравнение 1.3). Этот процесс длится до соприкосновения ползуна 12 с сердечником 1.

Девиация угловой скорости собст-. 3() венной частоты обращения ползуна

Ась по показаниям регистрирующего t устройства не превышает + 10 %.

Собственная частота изохронной ро-35 тации зависит от величины магнитного поля, т.е. если оператор увеличивает ток потенциометром 17 в обмотке 2, то ползун 12 переходит на меньшую орбиту, а угловая скорость возрастает, и наоборот, при уменьшении магнитного поля ползун 12 переходит на большую орбиту,.а угловая скорость уменьшается. Это в свою очередь демонстрирует закон сохранения момента количества движения (угловая скорость 45 отслеживается по показаниям регистратора 11, а -диаметр орбит — по концентрическим окружностям 21).

Для демонстрирования параметричес 50 кого резонанса изохронной ротации оператор устанавливает потенциометр

17 в среднее положение, а потенциометр 19 в нулевое положение, включает осветитель 9, регистратор 11, комп55 рессор 8 и блок питания 15 в сеть, при этом переключатель 18 замкнут.

Затем оператор прижимает к бортику 5 ползун 12 и энергично толкает его по кругу.. Измерив собственную частоту 6О обращения ползуна 12 по регистратору

11, оператор выставляет эту же частоту на генераторе 16 и потенциометром

19 постепенно увеличивает ток во второй обмотке 3.

Из-за наличия диода 20 ток в обмотке пульсирует один раз за один период обращения ползуна 12 со скважностью, равной единице.

Магнитные потоки от действия этих двух обмоток складываются, в результате чего один раз за период обращения ползун ближе подтягивается к сердечнику электромагнита, т.е. круговая орбита ползуна 12 (фиг. 4, кривая 25) трансформируется в эллиптическую (кривая 26), при этом на регистраторе 11 наблюдается .набегание угловой скорости, которая тем больше, чем больше амплитуда накачки.

В связи с тем, что частота накач" ки (частота тока, вь.таваЕмого генератором 16) остается неизменной, а угловая скорость сд обращения несколько увеличилась, происходит либ- рация эллиптической орбиты, т.е.

I большая ось 27 элилпса начинает вращаться вокруг своего фокуса с угловой скоростью й>1 (фиг. 5) °

Демонстрируемое явление аналогично явлению раскачивание качелей (С.П. Стрелков Ведение в теорию колебаний, М., 1964, с. 172-174) .

Движение по эллипсу (фиг. 4, кривая 26) происходит при условии, что

3/Я «1, т.е. длина радиуса эл .ипса ,р, начало которого лежит в фокусе F, мало изменяется по сравнению со сред ней длиной радиуса эллипса )О, причем

2 — амплитуда укорочения радиуса Я которая равна (псих Ф(11 .(+ E сО&11 1 Ф Я с09(9Е+!с) где РmQ I(— максимальное значение радиуса эллипса;

Япп

„;„ — минимальное значение радиуса эллипса.

Каждое из слагаемых данного уравнения есть уравнение эллипса в полярных координатах, где P — фокальный параметр

P (3) а

Я вЂ” эксцентриситет

Ь вЂ” малая полуось эллипса; а — большая полуось эллипса

1 — .частота накала.

Уравнение параметрического резонанса изохронной ротации имеет вид

Р P (5) (+ K COSQ< (Ф E cOS(0t.

Я- о 1+

Момент количества движения 1 по эллиптической орбите равен моменту количества движения по круговой орби1001155 те и не зависит от амплитуды накачки, т.е ° остается неизменным

L-M g =conet (Ь) Момент колйчества движения вибрации 5 эллипса равен

2 " лиep = +,)" maх где L „g — момент количества движе- 10 ния либрации эллипса; (d< — угловая скорость либрации эллипса;

m — масса ползуна 12> я ц» — максимальный радиус эллип-)5 са.

Момент количества движения либрации эллипса Б „ зависит от амплитуды накачки.

Если оператор увеличивает ток во второй обмотке 3 потенциоМетром 19, то увеличиваются радиус эллипса )„, набегание угловой скорости Ы и угловая скорость либрации с0

Эти явления наблюдатель видит по регистратору 11 и по отношению к концентрическим окружностям 21, Если оператор будет уменьшать ток во второй обмотке 3, то уменьшается набегание скорости СО,,эксцентриситет эллипса и скорость й3 либрации оси

27 эллипса.

Траектория движения ползуна 12 по поверхности 13 столешницы 4 схематически представлена на фиг. 5.

Сначала ползун совершает круговые движения с угловой скоростью у, а после включения енератора синусоидального тока круговая орбита трансформируется в эллиптическую, причем наблюдается либрация большой оси эл- 40 липса с частотой с „, при этом длина большОй оси эллипса и скорость ее либрации зависят от амплитуды укорочения

Полный момент количества движения 45 равен

) полн ли БР (e)

Для того, чтобы убедиться, произош ла ли накачка при параметрическом резонансе изохронной ротации, необходи-50 мо разомкнуть переключатель 18, в результате чего эллипсная орбита сразу же срывается на круговую, причем диаметр круговой орбиты становится больше исходной круговой орбиты, что сразу видно по концентрическим окружностям 21, Параметрический резонанс возмо-. жен на частотах накачки 9, кратной частоте обращения f ползуна 12, 60

--7=т и . где п = 1,2,3..., (9) однако с увеличением частоты накачки приходится увеличивать ток пульсации во второй обмотке 3, т.е. КПД накачки убывает с увеличением частоты. 65

Максимум максиморум параметрического резонанса наблюдается при n = 1.

Параметрический резонанс возможен при соотношении л н (10) где En — энергия потерь;

Еи — энергия накачки.

Во избежании разрушения прибора демонстрирование параметрического резонанса иэохронной ротации произнодят постепенно, плавно унеличиная ток в обмотке 3 с выдержкой по времени 1 — 2 мин после каждого прибавления тока, не допуская ударов ползуна

12 о бортик 5 и сердечник 1.

При перекачке вращательного движения потенциометр 19 быстро устанавливают в нулевое положение.

Дидактическая эффективность заключается в том, что с помощью учебного прибора по физике раскрывается физическая сущность существования эллиптических орбит планетарных систем и вибрации эллиптических орбит, заключающаяся в том, что ведущая плане-. та (например Солнце) один раз за период обращения ведомой планеты (Земля) притягивает ее сильнее. Тем самым ведущая планета сообщает ведомой планете дополнительную энергию, которую она теряет на совершение движения по орбите, и поэтому всегда одна из планет находится в фокусе эллипсной орбиты.

Использование изобретения позволиъ. повысить эффективность обучения.

Формула изобретения

Учебный прибор по физике, содержащий стержневой сердечник с обмоткой, на одной поверхности которого закреплен полый кронштейн с расположенными на его верхней поверхности ползуном, осветителем и фотоприемником, электрически соединенным с регистратором, и блок питания, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности обучения, он имеет звуковой генератор, переключатель, диод, потенциометры, дополнительную обмотку, пненмокомпрессор и пневмопривод„ один конец которого сообщается с полостью кронштейна, а другой подключен к ныходу пневмокомпрессора, при этом первый выход блока питания соединен с первым выводом звукового генератора и первым выводом первого потенциометра, второй вывод которого связан с одним выводом обмотки, подключенной други)м выводом к второму выходу блока питания и через переключатель к второму выводу звукового генератора, который третьим выводом соединен с первым выводом второго потенциометра, который вторым ныводом связан с одним из выводов допол1001155

40иг. 2 нительной обмотки, подклкйенной другим выводом к аноду диода, соединенного катодом с четвертым выводом звукового генератора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизь

1. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2969815/28-12.

1001155

Рие. 3 — Рауль пикирующая

1001155

Тираж 486 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и Открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 1403/59

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель С. Алексанов

Редактор А. Ворович Техред Т.Маточка Корректор Г. Огар