Учебный прибор по механике

 

Использование: повышение наглядности и эффективности демонстрации амплитудных и фазовых соотношений при резонансе. Сущность изобретения: прибор содержит вибратор в виде уравновешенного электрокамертона, закрепленного в штативе , установленном на деревянной скамье, резонатор в виде закрепленной на той же скамье железной струны с регулируемым натяжением, вынужденные колебания которой возбуждаются за счет связи с вибратором через основание штатива и скамью, и удаленный экран наблюдения. С помощью прибора осуществляют оптическое смешение колебаний вынуждающей силы вибратора с вынужденными колебаниями резонатора (струны) посредством светосильной линзы, жестко закрепленной на вибраторе. При этом точечным источником света служит ярко освещенное малое отверстие в легком непрозрачном экранчике, скрепленном со средней частью струны, а введение проектирующей линзы наряду с функцией смешения колебаний обеспечивает высокую светосильность устройства, позволяющую добиться большой освещенности картины при больших ее размерах. Зил. w w Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 09 8 23/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4878432/12 (22) 29.10.90 (46) 15.12.93. Бюл. N. 46 (75) Я.E.Àìñòèëàвский (56) Покровский А.А. Демонстрационный эксперймент по физике в средней школе.

M.: Просвещение, 1979, с.288., (54) УЧЕБНЪ|Й ПРИБОР ПО МЕХАНИКЕ (57) Использование: повышение наглядности и эффективности демонстрации амплитудных и фазовых соотношений при . резонансе. Сущность изобретения: прибор содержит вибратор в виде уравновешенного электрокамертона, закрепленного в шта тиве, установленном на деревянной скамье, резонатор в виде закрепленной на той же скамье железной струны с регулируемым натяжением. вынужденные колебания котоИзобретение относится к учебно-наглядным пособиям по физике и предназначено для получения картины вынужденных колебаний на резонансных частотах и демонстрации.амплитудных и фазовых соотношений вблизи резонанса. Теория вынужденных колебаний и резонанса имеет многочисленные приложения в науке и технике. Поэтому в предлагаемом плане она занимает в курсе физики особо видное место и хорошая наглядная демонстрация резонансных эффектов и его закономерностей для учебного процесса очень важна.

Известен прибор по физике, содержащий вибратор в виде уравновешенного камертона, установленного на штативе, резонатор, выполненный в виде струны с регулируемым натяжением, связанной с камертоном, и экран. Мы 1781689 А1 рой возбуждаются за счет связи с вибратором через основание штатива и скамью, и удаленный экран наблюдения. С помощью прибора осуществляют оптическое смешение колебаний вынуждающей силы вибратора с вынужденными колебаниями резонатора (струны) посредством светосильной линзы, жестко закрепленной на вибраторе. П ри этом точечн ым источником света служит ярко освещенное малое отверстие в легком непрозрачном экранчике, скрепленном со средней частью струны, а введение и роектирующей линзы наряду. с функцией смешения колебаний обеспечивает высокую светосильность устройства, позволяющую добиться большой освещенности картины при больших ее размерах.

3 ил.

Недостатком известного прибора является отсутствие звена автоматического совмещения колебаний, а на больших частотах уловить наличие фазового сдвига, мавеЪ сопоставляя колебания на глаз, невозможно принципиально, Вместе с тем, видимость О» картины вынужденных колебаний на больших ОО частотах оставляетжелать лучшего, особенно»О в тех случаях, когда опыт демонстрируют в большом помещении. Оба замечания (отсут-, > ствие смешения (совмещения) колебаний с выходом на фазовый сдвиг и недостаточная видимость картины в большом помещении) снижают наглядность демонстрации.

Целью изобретения является повышение наглядности.

На фиг. 1 — принципиальная оптическая схема; на фиг, 2- камертон с линзой; на фиг.

3 — крепление струны с экраном.

1781689

Проектируемымобьектомслужитлучот никал зазор шириной 6-7 мм. Прерыватеосветителя 1 через ярко освещенное круг- лем цепи 9 служит пластинка латунной жеслое отверстие в легком непрозрачном эк- типодходящейупругости, имеющаядлину5 ранчике 2, скрепленном со струной. Тонкая см и ширину 0,7 см. Эта пластинка прикреплинза 3, жестко связанная с ножкой элект- 5 лена одним своим концом к верхней части рокамертона 5 (фиг. 2), создает изображе- алюминиевой стойки, установленной между ние отверстия в виде светлого пятна на ножками камертона примерно на середине экране наблюдения 4. Из геометрических . их длины, а другим концом, имеющим насоображений очевидно, что если струна пайку из серебра, касается внутренней сто(фиг.3) и вместе с ней экранчик2 совершает 10 роны возбуждаемой электромагнитом колебательное движение, то аналогичные ножки камертона. При помощи врезанного колебания, совпадающиес колебаниями от- в алюминиевую стойку регулировочного верстия по направлению и частоте, но уве- винта с контргайкой, упирающегося в конличенные по амплитуде, будет совершать и тактную пластину, последняя отжимается в пгтно, Если же в колебательное движение при- 15 сторону внутренней поверхности возбуждаведена линза 3, то пятно также совершает емой электромагнитом ножки камертона до колебания,совпадающиесколебаниямиоп- легкого касания. Вращая регулировочный тического центра линзы по направлению и винт, можно в ходе работы электрокамерточастоте при близком коэффициенте усиле- на изменять степень прижатия контактной ния по амплитуде. При одновременных ко- 20 пластинки и, таким образом, регулировать лебанияхи струны илинзы пятно совершает амплитуду колебаний камертона, а слесложное колебательное движение, пред- довательно, и амплитуду колебаний ставляющее векторную сумму двух этих ко- прикрепленной к нему линзы. Питание лебаний. B рабочем положении камертон 5 электрокамертона включает источник поориентирован вертикально, При этом ножка 25 стоянного тока 10 на 4-5 B (батарею щелочкамертона, а вместе с ней и линза 3, совер- ных аккумуляторов из 3 — 4 банок) и шают горизонтальные колебания парал- конденсатор 11 емкостью B 1 мкф, закреплельные струне, тогда как экранчик 2 с ленный на тыльной стороне доски камертоисточйиком при резонансе приходят в вер- на для гашения искры в прерывателе. тикальные колебания, Таким образом, 30 Струна имеет длину около 100 см. Она сложное колебание представляет собой изготовлена иэ железной проволоки диасумму двух взаимно перпендикулярных метром 0,5 мм. Выбор указанного материапростыхколебанийприбольшомкоэффици- ла для струны, как и выбор диаметра енте их усиления по амплитуде. Вертикаль- проволоки не случаен. Практика показала, ные размеры результирующего колебания и 35 что колебания железной струны диаметром его конфигурация позволяют сделать одно- 0,5 мм в подходящем для демонстрации инзначный вывод об амплитуде вынужденного тервале частот при указанных ниже условиях колебания и о сдвиге фаз. опыта оказываются устойчиво плоскополяриК одной из ножек этого камертона жес- зованными, в отличие, например, от того слутко прикреплена небольшая линза 3, за- 40 чая, когда используется стальная струна ключенная в металлическую оправку 6. К такогожедиаметра 0 5мм илижелезная струдругой его ножке привинчен тщательно на большого диаметра, После необходимого подогнанный противовес 7, Собственная поворота крепящей головки 12 вынужденчастота такого уравнове ленного и поэтому ные колебания, возбужденные в такой струпо-прежнему хорошо резонирующего ка- 45 не, надежно сохраняются в вертикальной мертона с линзой составляет 51 Гц, Камер- плоскости без применения каких-либо дотон укреплен на небольшой деревянной полнительных поляризующих устройств. В доске при помощи двух П-образных винтов- отверстии, вырезанном в стойке 13, при поскобок, прижимающих стебель камертона к мощи ограничивающей гайки 15, закреплефанерной прокладке, проложенной между 50 на зажимающая головка 12 в виде полого стеблем и доской. На лицевой стороне до- винта, В головке 12 посредством винта 16 ски рядом с камертоном вблизи одной из закреплен один конец струньг17. Конструкего ножек на расстоянии в 1/3 дины ножки, ция головки 12 позволяет в случае необхосчитая от ее-конца; установлен электромаг- димости поворачивать в нужной степени нит 8, изготовленный из двух небольших 55 этот конец струны вокруг ее длины. Стойкастандартных катушек, Место закрепления пластина 14, укрепленная на противополож"электромагнита выбрано с таким расчетом, ном краю скамьи, имеет на соответствук>щей чтобы сердечники катушек располагалйсь высоте вырез-отверстие, через которое пронапротив ножки камертона и чтобы между девается второй конец струны, Эта стойкасердечниками и поверхностью ножки воз- пластина служит лишь для упора винтов

1781689 пластины 18, в которой посредством винта

19 жестко крепится второй конец струны.

Пластина 18 отделена от пластины 14 тремя регулировочными винтами 20, 21, 22, которые упираются в опорную пластину 14 и 5 таким образом, создают необходимое регулируемое растяжение струны. Регулировочные винты 20, 21 расположены на одной горизонтали выше места закрепления струны на 1 см. Эти винты позволяют осущест- 10 вить грубую регулировку натяжения. Третий винт 22, находящийся ниже места закрепления струны на значительно большем расстояниии (7 см);служит для плавной регулировки ее натяжения, С серединой струны скреп- 15 лен экранчик 2 на легком каркасе, йзготовленном из трех швейных иголок и напоминающем по своему виду опрокинутую на бок букву Н. Этот каркас припаян средней своей частью к струне так, чтобы 20 плоскость каркаса оказалась вертикальной. Экранчиком 2 служит подклеенный к каркасу квадратный листок черной оберточной бумаги (4 х 4 см ), окрашенной со стороны, обращенной к источнику света, алюминие- 25 вой краской. Вблизи средней части экранчи.ка 2 имеется небольшое круглое отверстие диаметром 0,5-1 мм. Общий вес каркаса с экранчиком составляет около 1,5 г.

Для создания в средней части экранчика 2 вблизи отверстия сильно освещенной области, продольные размеры которой превосходят размах колебаний отверстия, используется осветитель 1 от стандартной скамьи. Кожух осветителя закреплен в средней части рельсов оптической скамьи с таким расчетом, чтобы фокусирующий объектив, придвинутый вплотную к конденсору осветителя располагался на краю скамьи, Расстояние от объектива до области наибольшей концентрации светового потока в этом случае составляет примерно 8 см.

Поэтому при максимальном приближении осветителя к скамье струны расстояние между экранчиком 2 и объективом осветителя не должно превосходить указанную величину. Это обстоятельство учтено при выборе местоположения держателей струны на скамье. А длина ножек скамьи струны подобрана с таким расчетом, чтобы центры объектива осветителя и отверстия в экранчике

2 лежали на одной горизонтали. Источником света в осветителе служит кинопроекционная лампа на 300 Вт (110 В).

Цель опытов заключается в возбуждении вынужденных колебаний струны-резонатора под влиянием вибрирующего камертона, смещении (совмещении) колебаний вибратора и резонатора и исследовании амплитудных и фазовых характеристик

55 колебаний резонатора вблизи резонанса по виду результирующего колебания, наблюдаемого по методу оптического осциллографа, При подготовке опытов ориентированный вертикально камертон закрепляют на штативе и устанавливают этот штатив непосредственно на скамье со струной с тем, чтобы необходимая связь между камертоном и струной осуществлялась через основание штатива и скамью. Для большей изоляции колебательной системы от демонстрационного стола и предотвращения возможной утечки энергии под ножки скамьи подкладывают дополнительные резиновые подкладки. Осветитель 1 придвигают к скамье и устанавливают с таким расчетом, чтобы область концентрации светового потока соответствовала средней части экранчика 2, скрепленного со струной, а отверстие оказалось в центре освещенной области. Перемещая штатив камертона, добиваются совмещейия отверстия с главным фокусом линзы 3. Тогда на экране 4, удаленном на несколько метров от прибора,наблюдается резкое и яркое пятно. При возбуждении колебаний камертона это пятно растягивается в яркую практически горизонтальную полосу. Манипулируя далее винтами натяжения струны, сперва грубой, а затем плавной регулировки; добиваются приближения собственной частоты колебаний струны к частоте вынуждающей силы — частоте камертона. При этом, если смотреть на струну, то можно видеть, что она начинает резонировать, вследствие чего отверстие приходит в слабые вертикальные колебания, а на экране 4 светлая полоса слегка наклоняется, оставаясь сперва практически прямой, поскольку амплитуда вынужденных колебаний невелика, а фазовый сдвиг между вынужденными колебаниями струны и колебаниями камертона остается близким к нулю, По мере приближения к резонансу амплитуда йынужденных колебаний возрастает. Вместе с тем возрастает и величина сдвига. Вследствие этого результирующее колебание деформируется в эллипс, большая ось которого постепенно поворачивается, а его эксцентриситет убывает. В момент резонанса амплитуда вынужденных колебаний наибольшая, а сдвиг дrp =st/2 . Это значит, что эллипс оказывается наиболее сильно "раздут" по вертикали, а ориентация его осей совпадает с вертикальным и горизонтальным направлениями. С методической точки зрения наиболее целесообразно подобрать такие условия опыта, а это можно сделать, при которых резонансная амплитуда струны оказывает1781689 ся равной амплитуде колебаний ножки камертона — оптического центра линзы 3. В этом случае сложное колебание в момент резонанса представляет собой окружность и фазовые соотношения выражены наибо- 5 лее явно. По мере прохождения резонанса при дальнейшем плавном изменении натяжения струны результирующее колебание снова начйнает сжиматься в вертикальном направлении, а эксцентриситет эллипса — 10 увеличиваться. При этом большая ось эллипса продолжает поворачиваться в пространстве и эллиптическое колебание постепенно вырождается в прямую, при-. ближающуюся к горизонтальному направ- 15 лению (Bp =л) . Не менее отчетливо указанные закономерности наблюдаются и при значительно большем натяжении струны, при котором собственная частота колебаний струны приближается к 2 го, где vo — 20 частота камертона. В пределах узкого ин- тервала частот вблизи частоты 2 v< амплитуда вынужденных колебаний струны резко возрастает и затем также резко убывает практически до нуля. При этом фазовый сдвиг д р возрастает от нуля до й, проходя через значение Dp = /2 в момент резонанса. Указанный характер изменения величины д р однозначно интерпретируется по форме возникающих при этом фигур Лиссажу.

Формула изобретения

Учебный прибор по механике, содержащий вибратор в виде уравновешенного камертона, установленного на штативе, резонатор, выполненный в виде струны с регулируемым натяжением. связанной со штативом, и экран, отличающийся тем, что, с целью повышения наглядности, он имеет установленную на ножке камертона линзу, непрозрачный экран с отверстием, закрепленный в средней части струны, и осветитель для направления светового потока в отверстие непрозрачного экрана; при этом между экранами установлена проектирующая линза.

1781689

Корректор Л.Филь

Составитель P.Óæâèé

Техред М.Моргентал

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4275 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5