Учебный прибор по физике в.а.чернышева

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 ()9) (И) В2 08 (50 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А STOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4.1 28458/28-12 (22) 02.10.86 (46) 15.08.88. Бюл. Ф 30 (75) В.А.Чернышев (53) 371.66(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1229796, кл. G 09 В 23/08, 1984 (54) УЧЕБНЬЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ

В.А.ЧЕРНЫШЕВА (57) Изобретение относится к учебным приборам по физике и позволяет расширить дидактические возможности путем обеспечения демонстрации колебатель ных процессов при различных степенях свободы колеблющихся масс. Это достигается установкой инерционных колеблющихся масс 7 на маятниковых стерж- . нях 20 с возможностью свободного вращения и фиксации их в заданном положении стопорами 21, 23, 24, а также использованием салазок 14, установленных на коромысловых стержнях 4 с возможностью поступательного перемещения посредством цилиндрических пружин сжатия 15, связанных с маятниковыми стержнями 20 и фиксируемых в заданном положении стопором 17. Са- лазки 14 и маятниковые стержни 20 обеспечивают различные степени свободы инерционных масс 7. 4 ил.

141 7029

Изобретение относится к учебным приборам по физике и позволяет демонстрировать законы движения колеблющихся масс.

Цель изобретения — расширение ди5 дактических возможностей путем обеспечения демонстрации колебательных процессов при различных степенях свободы колеблющихся масс.

На фиг. 1 изображен учебный прибор по физике, общий вид; на фиг. 2— средство регистрации параметров колебаний инерционных масс, вид снизу на панель; на фиг. 3 — учебный прибор, вид сверху при горизонтальном положении лицевой панели с разведенными коромысловыми стержнями; на фиг. 4 схема действующих сил инерции.

Учебный прибор по физике содержит наклонно установленную на основании 1 панель 2, на которой в опорах вращения установлены оси 3 качания двух коромысловых стержней 4, связанных пережигаемой нитью 5, синхронизи- 25 рующий вал 6, концы которого связаны с осями 3 качаний коромысловых стерж» ней 4, инерционные массы 7 и средство регистрации параметров колебаний инерционных масс, состоящее из двух установленных на синхронизирующем валу 6 катушек 8 с противоположной навивкой гибких элементов 9, концы которых кинематически связаны с валом вращения бумагоносителя 1О, контактирующего с закрепленным на основании 1 пишущим элементом 11.

Учебный прибор по физике имеет также съемные поводки 12, связанные посредством пружин 13 с опорами вращения осей 3 качания коромысловых стержней 4, салазки 14, установлен- ные на нижних концах коромысловых стержней 4, связанные с последними посредством цилиндрических пружин 15 сжатия и снабженные опорами 16 вращения и стопорами 17 и 18, маятниковые стержни 19 и 20, каждый из которых посредством стопора 21 связан с опорой 16 вращения соответствующих салазок 14, и балансировочные массы 22, установленные на верхних концах коромысловых стержней 4. При этом инерционные массы 7 установлены на маятниковых стержнях 19 и 20 с возможностью вращения и фиксации

S5 в заданном положении посредством стопора 23, Балансировочные массы 22 такж установлены с возможностью вращения и фиксации в заданном положении посредством стопора 24. Весь прибор установлен на тележке 25.

Учебный прибор по физике работает следующим образом.

Перед началом демонстрации выставляют панель 2 в заданном положении к горизонтальному основанию 1, раз" водят коромысловые стержни 4 на заданный начальный угол и фиксируют пережигаемой нитью 5. Пишущий элемент 11 устанавливают в начале координат координатной сетки бумагоносителя 10.

Маятниковые стержни 20 устанавливаются в нулевые положения относительно коромысловых стежней 4 под действием составляющих сил веса инер" ционных масс 7.

Нулевым положением салазок 14 является их положение при статической деформации цилиндрической пружины 15 сжатия.

После пережигания нити 5 коромысловые стержни 4 начинают совершать встречные синхронные угловые колебательные движения — качания вдоль плоскости панели 2, при этом салазки

14 начинают совершать поступательные колебательные движения вдоль коромысловых стержней 4, а маятниковые стержни 20 вместе с инерционными массами 7 начинают совершать угловые колебательные движения относительно салазок 14 и, соответственно, относительно коромысловых стержней 4. В результате действия сил реакций на тележку 25 последняя начинает совершать колебательное поступательное движение по неподвижному основанию 1, при этом пишущий элемент 11 вычерчивает на листе бумаги, закрепленном на бумагсносителе 10, графическую линию, проекция каждой точки которой на ось Х координатной сетки Х1Х равна переносному перемещению Х е тележки 25, а проекция на ось Х О пропорциональна относительному угловому движению коромысловых стержней 4, колебания которых синхронизированы благодаря кинематической связи осей 3 качания с помощью синхронизирующего вала 6, угловые вращения которого передаются гибкими элементами 9 трособлочной системы валу вращения бумагоносителя 10.

Салазки 14 и маятниковые стержни

20 обеспечивают различные степени

4 нием 1, ось ОХ которой направлена вдоль направления движения тележки 25 параллельно продольной оси ее симметрии;

"r

Х вЂ” составляющая ускорения движевд ния центра масс (точки В) салазок 14 относительно тележки 25 (точки А) вдоль направления ее движения, 1 У

Х вЂ” составляющая ускорения движес8 ния центра масс (тележки С) инерционной массы 6 вдоль направления движения тележки 25, две точки над переменными здесь и далее означают вторые производные по времени

"г г

Величины ускорения Х, Х, Х,в определяются из вычерченного графика движения пишущим элементом 11 и из результатов обработки визуальных наблюдений и результатов киносъемки.

После подстановки этих величин в уравнение движения центра масс прибора находят величины ускорения дви1 жения центра масс Х,„, рибара для каждого момента времени или для ряда отдельных моментов времени и соответствующих угловых положений каромысловых стержней 4 и маятниковых стержней 20, а также при соответствующих расположениях салазок 14 на коромысловых стержнях 4. Построенная по точП кам графическая зависимость Х,„ от углового положения каромыславых стержней 4, определяемая из графика движения, представляет результат опыта и является опытной закономерностью движения центра масс исследуемой материальной системы тел.

3 141702 свободы инерционных масс 7, например их поступательное перемещение вдоль продольной оси коромысловых стержней

4 а в ортогональном направлении—

Ф

5 в плоскости качания коромысловых стержней 4. Массы салазок 14 и маятниковых стержней 20 малы по сравнению с инерционными массами 7 и полностью уравновешиваются балансировоч- 1< ными массами 22.

Демонстрации проводят при различных углах наклона панели 2 к прбдольной оси тележки 25 при действии упругого момента закручивания пружины

13 и в его отсутствие, а также при различных положениях стопоров 17, 21, 23 и 24, т.е. при различных степенях свободы инерционных масс °

Возможны следующие случаи исполь- 20 эования учебного прибора.

Опыты по изучению влияния момента инерции инерционных масс 7 на движение центра масс прибора проводят, начиная с наиболее простых, при горизон-Zg тальном расположении панели 2 (фиг.3) и уравновешенных коромысловых стержнях 4 с помощью балансировочных масс 22. Переносное движение тележки 22 в этих опытах определяется толь-З ко силами реакций относительных колебательных движений салазок 14 и инерционных масс 7 на маятниковых стержнях 20; величины масс и момент инерции маятниковых; стержней 20 могут быть приведены к соответствующим по35 йравкам величин масс и моментов инерции инерционных масс 7 или в первом приближении не учитываются ° Тогда с учетом симметрии прибора движение его центра масс описывается простым дифференциальным уравнением

"Р m+ш "у m "r

Х „ =X + - -- --Х + — — — -Х и M+mо+m ьд М+ш +m с9> где И1а о

Х

Ц,м

"е

Х половина величины массы тележки 25 со всеми конструктивап ми элементами, за исключением салазок 14 и маятниковых инерционных масс 7; величина массы салазок 14; величина массы инерционной массы 7; ускорения движения центра масс прибора; ускорение переносного движения тележки 25 относительно неподвижной системы координат ОХУ, связанной с основаОпытная закономерность движения центра масс сопоставляется далее с теоретически предсказываемой закономерностью. Для получения последней вводят согласна фиг. 4 обозначения:

A@3= P °

Р=Р,+л(t);

P — расстояние стопора 18 от аси

А вращения коромысловога стержня 4;

h (t) — смещение центра масс (тачки В) салазок 14, совпадающего с осью вращения маятникового стержня 20, ат стопора 18;

BC=L — расстояние центра масс С инерционной массы 7 от аси

5 14170 вращения (точки В) маятникового стержня 20;

4(t) - угол отклонения маятникового стержня 20 от оси симметрии коромыслового стержня 4;

Ю(т.) — угол поворота коромыслового стержня 4.от оси, параллельной продольной осн симметрии устройства;

I — величина главного момента инерции инерционной массы 7; с — жесткость цилиндрических пружин 15 сжатия. . С учетом соотношений

Хя„=(Р-pq2) cosy-(PV+2PV) sing;

Х =-Ь(Ит) выл(М+д) -Ь(9+д), cos (ч+ф величину ускорения движения центра масс Х ц „прибора как материальной системы с тремя степенями свободы, определяемыми координатами Х (t),p(t) е и g(t) при известном законе т =Ч()

° е находим при подстановке величин Х, Р, р и о(. Величины этих ускорений определяют в соответствии с принципом 2

Даламбера по уравнениям: номерностн движения центра масс прибора с теоретически предскаэываемой закономерностью проводится опыт при отсутствии влияния момента инерции инерционных масс 7, т.е. когда они имеют воэможность свободного углового вращения на маятниковых стержнях

20 при "отстопоренных" положениях стопоров 23. Полученная описанным выше способом опытная закономерность сопоставляется с теоретически предсказываемым движением центра масс прибора, которое, в отличие от предыдущего опыта, является нулевым. Это определяется тем, что величина момента инерции I инерционных масс 7 не входит в уравнение для а(, ", Х и физически не влияет на силовое воздействие на тележку 25. Качественную картину этого влияния. в первом опыте получают из сопоставления вычерченных графиков первого и второго опытов.

Кроме того, дополнительно проводятся опыты по выявлению влияния движения салазок 14 на коромысловых стержнях 4 и угловых маятниковых стержней 20. Эти опыты проводятся при "застопоренных" положениях стопоров 17 и, соответственно, 21. Инерционной массой 7 задаются степени свободы как относительного вращательного их движения, так и поступательнътх перемещений по ортогональным осям.

Данные соответствующих опытов получают в виде графиков.

При "застопоренных" положениях стопоров 17, 21 и 23 учебный прибор позволяет проводить детальное исследование влияния момента инерционных масс 7 на получение постоянной составляющей движения центра масс материальной системы тел.

Формула из обретения

Учебный прибор по физике, содержащий наклонно установленную на основа-. нии панель, на которой в опорах вращения установлены оси качания двух коромысловых стержней, связанных пережигаемой нитью, синхрониэирующий вал, концы которого связаны с осями оЕ =- (-Мш(тп +m)Lcosel(p+2PM)-((m +m) ° (IM+I(m +ш) sin Ч +mm L sin ö )-NmL (m +

+mcos ck) )(р+МпРL ватт(сояф(ту+от,т +(-m(N+

+m )Ьsind+m Lsin (соs(Ч+а0,+ш пй сîs Ч о о

-sin((Р+тД)с Я);

1 °

Д - (-Мш L сояД,яiп(};(ш +ш) I Ifm + 35

Е o . о

+m)+m шЬл ) я1п(соятр)фт(+2p(i +Kp(p +((I+ о

+mL2 ) Ìïécoÿî(+ïé. (I(m-+m)+m- пй. ). sin т х

xsin(V+d) ) (ц+д) +(-(I+mL ) (М+тп +m)+

+ш Ь яin2 (тт+о{) ) с 3 ;

Xe= {(((i)m (m )8(пм+(т((1Е о о

° ° ° °

2я1п сАсоя п()ш+ш )хядпсО (p9+2pq)+

+((I(m +m)+m mL )cos9+ø L cos(9+g)

° cos6) с hid где Е *М(Т(ш +m)+mL (m,+mcos ck))+(m +

+m) (I (ш +ш) +ш шЬ ) я1п М, e o

В результате находим простое по виду уравнение для теоретически предсказываемого движения центра масс ,прибора

I(msin24) °

Х = — — — — — -Е Ч+2рМ) sin . цй 2В

Из этого уравнения следует, что величина исследуемого движения центра масс прямо пропорциональна

29 6 величине момента инерции I инерционных масс 7, которые неподвижно закреплены на маятниковых стержнях 20 с помощью фланцев со стопорами 23.

После сопоставления опытной зако7 1 1/0 качаний коромысловых стержней, инерционные массы и средство регистрации параметров колебаний инерционных масс, состоящее из двух установленных на синхронизирующем валу катушек с про5 тивоположной навивкой гибких элементов, концы которых связаны с валом вращения бумагоносителя, контактирующего с закрепленным на основании пишущим элементом, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью расширения дидактических возможностей путем обеспечения демонстрации колебательных процессов при различных степенях свободы колеблющихся масс, он имеет съемные поводки, связанные

2Э посредством пружин с опорами вращения осей качания коромысловых стержней, салазки, установленные на нижних концах коромысловых стержней, связанные с последнимк посредством цилиндрических пружин сжатия и снабженные опорами вращения и стопорами, маятниковые стержни, каждый из которых посредством стопора связан с опорой вращения соответствующей салазки, и балансировочные массы, установленные на верхних концах коромысловых стержней, прн этом инерционные массы установлены на маятниковых стержнях с вазможностью вращения и фиксации в заданном положении.

1417029 фиг@

Составитель Т.Григорян

Редактор А.Маковская Техред А. Кравчук

Корректор М. Пожо

Заказ 4069/49

Тираж 459 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4