Учебное пособие

Союз Соьетскик

Социал ксткчоскии

Республик пц892461 (61} Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 02.08.76 (23) 2393367/28-12 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 23.12.81. Ьктллетень М 47

Дата опубликования описания 25. 12.81 (5l «М. Кл.

G 09 В 23/06

5 09 В 23/22

Гееудаустааллый камнтат

СССР ве делам лзааретений я вткриткй (Й >АК 658.386. .06 (088. 8) (72) Автор изобретения

Е. А. Нелепин (t (71) Заявитель (54) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Изобретение относится к учебным пособиям и может быть использовано для демонстрации кинематических эффектов теории относительности.

Известно учебное пособие, содержащее. модель вагона g1) .

Недостатком его является невозможность демонстрации кинематических эффектов теории относительности.

Цель изобретения - демонстрация кинематических эффектов теории относитель» ности.

Это достигается тем, что учебное пособие имеет блок неподвижных часов, узел шкивов, а в модели вагона размещен механически связанный с колесами вагона блок подвижи;ых часов, при этом блоки подвижных и неподвижных часов соединены механически с узлом шкивов;

Изобретение поясняется чертежом, где приняты следующие обозначения: 1 - ре20 дуктор; 2 - колеса вагона; 3 и 4 - циферблаты движущихся часов; 5 - ремен-, ная передача; 6 и 7 - циферблаты непод вижных часов; 8 — неподвижный редуктор;, 9 - противовес; 10 - нить; 11 — барабан; 12 и 13 ременные передачи; 14промежуточная ременная передача; 15шкив; 16 - маленький шкив; 18 — ролик;

19 и 20 - модели световых сигналов;

21 - шкив; 22 - ролик.

Блок неподвижных часов содержит циферблаты неподвижных часов 6 и 7, барабан 11, ременные передачи 12 и 13.

Блок подвижных часов имеет циферблаты 3 и 4 движущихся часов, ременные передачи 5 и 17, модели 19 и 20 светоных сигналов, нить 10.

Узел шкивов включает неподвижный редуктор 8, противовес 9, промежуточную ременную передачу 14, шкив 15, маленький шкив 16, ролики 18 и 22 и шкив 21.

Учебное пособие позволяет демонстрировать учащимся следующие опыты.

Опыт 1. Синхронизация часов в неподвижной системе и в покоящемся вагоне.

Необходимо обеспечить движение сигналов при покоящемся вагоне, Для этого нить

10 отцепляется от вагона, наматывается на барабан 1 l и закрепляется на нем.

ИсхОдное пОложение: пары часОВ в вагОне и на кронштейне точно друг против друга, стрелки стоят вразброд, световые сигналы — точно посередине вагона. Вращая за рукоятку шкив 21, приводим в движение светоьые сигналы (т. е, "зажигаем лампочку" в середине вагона). Уславливаемся, что в момент достижения сигI0 налами часов на них устанавливается одинаковое время (О ч). Можно вообразить, что установка производится лаборантами, находящимися около каждых часов (можно использовать четырех уча- IS шихся, поручив каждому свои часы).

Из этого опыта видно, что для удобства настройки и демонстрации пособия следует укрепить стрелки часов так, чтобы можно было проворачивать их пальцем с gp небольшим усилием в любое исходное положение, не вращая шкивы. Для этого на концы осей часов надеты короткие трубочки из пластмассы, которые могут поворачиваться HB ocRx c небольшим усилием. Трубочки проткнуты стрелками из проволоки. С аналогичной целью световые сигналы" можно передвигать пальцем, не двигая ременной передачи. Последняя сделана из нити, на которую надеты две короткие трубочки от изоляции — это сигналы.

Опыт заканчивается тем, что стрелки всех часов устанавливаются в одинаковое положение (они параллельны). Это и есть наглядный образ синхронизированных часов.

Опыт 2. Доказательство непостоянства" скорости света и нарушения прин40 ципа относительности. Зтот опыт - непосредственное продолжение опыта 1. В нем ставится задача узнать одновременно или нет g,oñòèãàþò световые сигналы стен движущегося вагона от его середины по

45 неподвижным и движущимся часам. При этом используются часы, уже синхронизированные в опыте 1.

Исходное положение: вагон там же, стрелки всех четырех часов стоят на нуле, световые сигналы - в середине вагона.

Нить 10 прицеплена к вагону. Прилагая к вагону cmyP приводим в движение все учебное пособие: обе пары часов и сит налы. Наблюдаем, что "свет объективно быстрее достигает заднюю стенку вагона, движущуюся ему навстречу, чем переднюю, которая от него убегает. Зто естественно : скорость "света относительно задс; 4 ней стенки равна С Ч, а отно<-.италI:ío передней С-Ч: Факт неодновремелности имеет место как по покоящимся, ток и по движущимся часам. Г- азличие в скорости хода часов скажется, очевидно, лишь в том, что покоящиеся и движущиеся часы покажут разное время в момент достижения светом задней стенки (то же - для передней стенки). Нетрудно рассчитать эти моменты и величину неодновременности по покоящимся 8 и по движущимся часам.

Все возможности учебного пособия становятся понятны лри описании его изготовления. Начинать постройку учебного пособия можно с подбора редуктора 1, передающего вращение колес 2 вагона, катящегося по плоскости под действием силы F ((опт r рpу кKиH)), к стрелкам часов 3 в вагоне 3. Зтот редуктор уже определяет основной размер учебного пособия — длину вагона, под которой понимается, очевидно, расстояние между центрами циферблатов движущихся часов 3 и 4. Действительно, когда стрелка 3 или 4 опишет сектор, соответствующий двум часам, т.е. 1/6 круга, вагон должен переместиться на расстояние, равное своей длине.

От некоторой фиксированной точки А на плоскости катим редуктор до тех пор, пока стрелка не опишет 1/6 круга. Точка

В, в которую придет редуктор, определит расстояние АВ, т.е. длину вагона. Остается укрепить ось вторых движущихся часов

4 на раме вагона и соединить оси часов ременной передачей 5, обеспечивающей их сихронное вращение (т.е. с одинаковыми угловыми скоростями). Вагон готов.

Неподвижные часы 6 и 7 укреплены над вагоном на кронштейне, смонтированном жестко на неподвижном редукторе 8, предохраняемом от опрокидывания противовесом 9. Редуктор 8 передает движение от вагона к неподвижным часам. Для этой пели к вагону прикреплена нить 10, которая при его движении разматывается с барабана 11 и вращает его. Ременная передача 1 2 обеспечивает вращение оси часов 6 от редуктора 8, а передача 13 синхронное вращение осей часов 6, 7.

Диаметры шкивов в редукторе 8 подбираются так, чтобы обеспечить вращение стрелок неподвижных часов с вдвое большей угловой скоростью, чем у движущихся.

Когда вагон перемещается на расстояние

АВ, движущиеся часы должны "отмерить"

2, а неподвижные - 4. Это единственное требование к редуктору 8 позволяет лег zo расчитать его.

А!1 ) 163

Пр .Гцннгожнгл сна ила, что» р< дуктор"

8 от< утс т»у т промежуточ.,ая р<.манная н<..редача 1 Г, lloíèæâþ» ëÿ угловую скорость шкива 15 но сравнению с угловой скоростью маленького шкива 13, соос ю с барабаном 11. Представим более простую конструкцию: угловые скорости бараоана ". 1 и оси часов 6 одинаковьь дпя чего достаточно соединить их такой же ременной передачей, какая соединяет пару неподвижных или движущихся часов. В этом случае при перемещении вагона на

1 расстояние АВ = Х барабан 11 должен повернуться на 4 ч, т.е. на 1/3 окружности, откуда следует, что его диаметр

D должен удовлетворять

X 1

JJ) ь или

П = у х 0,955х

Ъ

Такая конструкция допустима, но неудобна тем, что 33 получается слишком

Г большим, почти равным )(. Для уменьшения редуктора следует уменьшить диаметр барабана 11 до удобного размера

Q Ц <))), компенсировав увеличение угловой скорости барабана "понижающей" ременной передачей 14. Если передача 12.

"нейтральная, т.е. соединяющая шкивы с разными диаметрами (введена для удобства конструкции), то диаметры шкивов

15 и 16 (Д„и <3 соответственно) должны удовлетворять

9 с31 аЮ 8 (32

Этим исчерпывается расчет редуктора 8.

На чертеже диаметры всех шкивов и дли-. на вагона показаны с соблюдением масштаба.

Масштабы длины на модели размечены так, что расстояния между осями часов делятся на 10 равных частей в движу-4> щейся системе и на 5 равных частей в неподвижной системе, Это условные единицы длины, реальная их величина не имеет значения. Деления наносятся соответственно на вагоне и на кронштейне для неподвижных часов.

Далее следует смоделировать световые сигналы, необходимые для опьГтов по синхронизации часов. В согласии с теорией относительности удаленные часы в одной системе отсчета синхронизируются с помощью двух световых сигналов, направленных к часам одновременно из точки, равноудаленной от часов, например от середины расстояния между ними. При достиже нии сигналами часов на них ставится одинаковое время. Этот способ синхронизации равносилен допущению, что скорость света одинакова во всех направлениях в данной системе отсчета. Для реализации этого способа на модели при синхронизации неподвижных часов 6, 7 необходимо сделать устройство, обеспечивающее движение с одинаковой скоростью в противоположных направлениях двух малых тел, моделирующих световые сигналы.

Проще всего осуществить это с помощью одной ременной передачи 17, надетой на ролик 18 и приводимой в движение тем же редуктором 8. Действительно, ремни движутся в противоположных направлениях с одинаковой скоростью и остается только прикрепить к ним модели 19 и 20 световых сигналов.

Заметим, что скорость сигналов уже нельзя делать произвольной, что ясно хотя бы из того, что она должна быть во всяком случае Сольше скорости вагона (C 7 V ).

Можно выбрать У: С= "3:2- так же должна относиться скорость нити 10 {прицепленной к вагону) к скорости сигналов. Это обеспечивается тем, что передача 17 надета в редукторе 8 на шкив 21, соосный с барабаном 11 (с которого разматывается нить 10), причем диаметры их относятся как 2: Я. Ролик 22 служит для изгиба ремня (чтобы сигналы двигались параллельно). Так как сигналы не должны мешать движению вагона или заслоняться им, то они располагаются в другой плоскости, ближайшей к зрителю, Учебное пособие готово.

Изобретени позволит демонстрировать учащимся кинематические эффекты теории относительности.

Формула изобретения

Учебное пособие, содержащее модель вагона, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью демонстрации кинематических эффектов теории относительности, оно имеет блок неподвижных часов, узел шкивов, а в модели вагона размещен механически связанный с колесами вагона блок подвижных часов, при этом блоки подвижных и неподвижных часов соединены механически с узлом шкивов.

Источники .информации прннятые во внимание при экспертизе

1. Нелепин F. А. Относительность и абсолютность. Л., 1 967, с. 54.

892461

gf 18 l0

f 2 P t9 20 Х ф

Составитель С. Александров

Редактор А. Бер Техред А. Бабинец Корректор В. Бутяга

Заказ 11262/73 Тираж 487 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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