Учебное пособие "маятник

О Il И С А Н И Е ((896670

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 13.02.80 (21) 2882063/18-12 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 07.01 82. Бюллетень № 1

Дата опубликования описания 07.01.82 (51) М, Кл.

G 09 В 23/08

Гасударственный комитет (53) УДК 658.386..08 (088.8) по денем изобретений и аткрытий (72) Автор изобретения

Л. А. Мазаев (71) заявитель (54) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ «МАЯТНИК»

Изобретение относится к учебным пособиям по физике и может быть использовано для демонстрации колебаний математического маятника.

Известно учебное пособие «Маятник», содержащее блок питания, нить, подвес, ось качания, электромагнит и геркон (11.

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет демонстрировать амплитудно-фазовые характеристики автоколебательного процесса, что значительно сужает демонстрационные возможности.

Цель изобретения — повышение демонстрационных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что учебное пособие «Маятник», содержащее блок питания, нить, подвес, ось качания, электромагнит и геркон содержит датчики угловых перемешений, линейных перемешений, и экстремальных положений подвесов, электромагнитные реле, дифференцируюшие ячейки, триггер, ждущие мультивибраторы, 20 усилитель, регулятор амплитуды, ключи, двухканальный видеоконтрольный блок, электросекундомер и подпружиненный груз, причем к первому выходу блока питания подключены первые выводы датчика линейных перемещений подвеса и электромагнита и через обмотки соответствующих реле— каждый из контактов датчика экстремальных положений подвеса, ко второму выводу блока питания подсоединены перекидной контакт датчика экстремальных положений подвеса, движок датчика угловых перемещений подвеса, второй вывод датчика линейных перемешений подвеса и через геркон-- — один из выводов триггера, при этом каждый из выводов датчика угловых перемещений подвеса соединен через дифференцирующие цепочки и замыкающие контакты каждого из реле к первому и второму входам усилителя, к третьему входу которого подключены движок датчика линейных перемешений подвеса и первый вход видеоконтрольного блока, при этом ко второму выводу электромагнита подключены через первый ключ выход триггера, через последовательно соединенные регулятор амплитуды и второй ключ — выход усилителя, а через третий ключ — второй вход триггера и выходы ждуUlHx мультивибраторов, причем вход первого мультивибратора че896670

Вторая клемма контакта 15 реле 13 соединена со входом ждущего мультивибратора 22, зашунтированного пятым ключом

26, вторая клемма контакта 16 через четвертый ключ 27 подсоединена ко входу второго мультивибратора 23.

Выходы мультивибраторов 22 и 23 соединены со вторым входом триггера 21, а через третий ключ 28 и первый 29 — с его выходом, который подключен к электросекундомеру 32.

3 рез второй замыкак>щий контакт первого реле, вход второго мультивибратора, четвертый ключ и второй замыкаюгций контакт второго реле подключен ко второму выводтивторого реле подключен ко второму выводу источника питания, при этом первый ждущий мультивибратор зашунтирован пятым ключом, ко входу триггера подключен электросекундомер, а первый вывод датчика угловых перемещений подвеса, подсоединен ко второму входу видеоконтрольного блока, причем движок датчика линейных перемещений подвеса механически связан с грузом.

На фиг. показана кинематическая схема устройства; на фиг. 2 —. структурная схема устройства.

Учеоное пособие «Маятник» содержит блок 1 питания, нить 2, состоящую из coeIH н итсл ьных проводов, подвес 3, состоящий из электромагнита 4, на котором установлен датчик 5 линейных перемещений подвеса, груза 6 и пружины 7 для линиеризации перемещения груза 6, ось 8 качания, нормально разомкнутый контакт 9 (геркон), срабатывающий от магнита 10, а также датчик 1! угловых перемещений подвеса. датчик 12 экстремальных положений подвеса, электромагнитные реле 13 и 14 с замыка|ощими контактами 15 — 18, две дифференцирующие ячейки !9 и 20, триггер 21, два ждущих мультивибратора 22 и 23, усилитель 24, регулятор амплитуды 25, пять ключей 26 — 30, двухканальный видеоконтрольпый блок 3! и электросекундомер 32.

Первый вывод блока питания соединен с первым входом датчика 5 линейных перемещений подвеса, установленного на электромагните 4 с первым входом электромагнита 4 и обмоток реле 13 и 14. Второй вывод соответственно обмотки первого реле !3 соединен с первым выводом датчика !

2 экстрсмальныx положений подвеса. Второй вывод обмотки второго реле 14 соединен со вторым выводом датчика 12 экстремальных положений подвеса, второй вывод блока 1 питания соединен с перекидным конTàêToì датчика 12 экстремальных положений подвеса, движком датчика 11 угловых перемещений подвеса, с герконом 9, со вторым вводом датчика 5 линейных перемещений подвеса, первыми выводами контактов

15 и 16 первого 13 и второго 14 реле.

Зо

4

Первый вход триггера 21 подключен ко второму выводу геркона 9.

Второй вывод электромагнита 4 через второй ключ 30 и регулятора 25 амплитуды подсоединен. к выходу усилителя 24.

Первый вход усилителя 24 соединен с выходом датчика 5 линейных перемещений подвеса и с первым входом двухканального видеоконтрольного блока 31, второй вход усилителя 24 соединен через второй замыкающий контакт 17 второго реле 14 с выходом первой дифференцирующий ячейки

19. Вход первой дифференцирующей ячейки

19 соединен со вторым выходом датчика 11 угловых перемещений подвеса, а третий вход усилителя 24 соединен через второй замыкающий контакт 18 первого реле 14 с выходом второй дифференцируюшей ячейки

20. Вход второй дифференцирующей ячейки

20 соединен с первым выходом датчика 11 угловых перемещений подвеса и вторым входом двухканального видеоконтрольного блока 31.

Учебное пособие может работать в следующих режимах.

1. Демонстрация амплитудно-фазовых характеристик (АФХ) при импульсном изменении длины маятника в каждой экстремальной точке.

2. Демонстрация АФХ при укорочении длины маятника в одной экстремальной точке и удлинении в другой.

3. Демонстрация АФХ при укорочении маятника в точках максимальных скоростей и удлинении в экстремальных точках.

4. Демонстрация АФХ при изменении длины маятника по закону

Е= Е, (4 — — cos (mt+òï), о где e — текущая длина маятника; средняя длина маятника; .а, — амплитуда укорочения маятника;

ы — частота собственных колебаний.

Для первого режима исходное положение схемы: ключи 27 и 28 замкнуты, 26, 29, 30 разомкнуты.

При этом после отведения маятника 3 влево и отпускания его начинается режим колебаний, при котором в экстремальных (крайних точках) происходит импульсный подъем и опускание массы 3.

Наблюдение этого режима показывает, что происходит затухание колебаний (те покачки энергии за счет скачкообразных изменений длины маятника), в экстремальных точках не происходит.

Во втором режиме исходное состояние схемы: ключи 26, 28 замкнуты, ключи 27, 29, 30 разомкнуты.

При этом в левой экстремальной точке происходит опускание центра тяжести массы 3, а в правой поджатие.

896670

В этом случае также происходит затуха ние колебаний.

В третьем режиме ключи 27 и 29 замкнуты, а ключи 26, 28, 30 разомкнуты.

В процессе наблюдения устанавливается следующая зависимость.

При небольших углах отклонения маятника колебательный процесс носит затухающий характер.

Это происходит вследствие того, что скорость изменения длины маятника (V ) значительно превосходит отношение †", т. е.

< I

Vg )) ф-, где V — линейная скорость маятника в нижней точке.

С увеличением угла отклонения, когда выполняется соотношение V2 — - -, устанавливается процесс автоколебаний.

В четвертом режиме исходное состояние схемы: ключи 27 и 30 замкнуты, ключи 26, 28, 29 разомкнуты.

Работа устройства заключается в следующем.

Перед демонстрацией четвертого режима производят настройку схемы. Экспериментатор отводит подвес влево на угол 1 которому соответствует максимальная амплитуда в третьем режиме, затем, отпустив подвес 3 быстро устанавливает регулятором 25 амплитуды амплитуду укорочения маятника а, в экстремальных точках равную амплитуде укорочения в третьем режиме, отслеживая ее по первому каналу видеоконтрольного устройства 31.

После настройки производят наблюдение и демонстрирование четвертого режима. Для этого экспериментатор отводит маятник влево на угол 1 соответствующий началному углу отклонения маятника в третьем режиме и переводит электросекундомер в ждущий режим, при этом магнит 10 под действием своего веса прижимает контактную пластину, на которой он установлен ко второму (правому по схеме) выходу датчика 12 экстремальных положений подвеса, 1 питания, вход датчика 12 экстремальных положений подвеса, в результате чего по создавшейся цепи второй выход блока второй выход этого же датчика, обмотка реле 14, первый выход блока 1 питания; потечет ток и реле 14 сработает, второй замыкающий контакт 17 второго реле 14 замыкается, а сигнал углового перемещения маятника, снимаемый со второго выхода датчика 11 угловых перемещений подвеса и поступающий йа вход дифференцирующей ячейки 19, продифференцированный по времени, поступает через замкнутый контакт

17 на второй вход усилителя 24, с выхода усилителя 24 — на вход регулятора амплитуды 25, с выхода регулятора амплитуды 25 через замкнутый ключ 30 сигнал поступает на электромагнит 4, вследствие этого электромагнит 4 начинает поднимать груз 6.

В результате того, что в устройство введена жесткая отрицательная связь (выход датчика 5 линейных перемещений подвеса, первый вход усилителя 24), центр тяжести подвеса 3 перемещается в строгом соответствии с законом (1) .

При достижении маятником нулевой точки (р = О) магнит 10 замыкает геркон

9, в результате чего на первый вход триггера 21 со второго выхода блока 1 питания через геркон 9 поступает напряжение, триггер 21 срабатывает и выдает запускающий импульс на вход электросекундомера

32, последний включается и начинается отсчет времени выбега маятника.

По достижении правой экстремальной точки магнит 10 под действием силы тяжести перебрасывает пластину, на которой он укреплен, на первый вход датчика 12 экстремальных положений подвеса, цепь второго реле 14 размыкается, а первого реле

13 замыкается, в результате чего контакт

17 размыкается, а контакт 18 замыкается и сигнал углового перемещения, снимае20 мый с первого выхода датчика 11 угловых перемещений подвеса, поступает на вход дифференциальной ячейки 20, с выхода дифференциальной ячейки 20 продифференцированный сигнал поступает через замкнутый контакт 18 на третий вход усилителя 24, с выхода усилителя 24 через регулятор амплитуды 25 и замкнутый ключ 30 сигнал поступает на электромагнит 4, подвес 3 опускается, а маятник начинает перемешаться влево. зо Предлагаемое изобретение позволяет наблюдать, что различные виды затухающих колебаний, автоколебательные процессы и баланс фаз и амплитуд — необходимое условие возникновения автоколебательного процесса.

Формула изобретения

Учебное пособие «Маятник», содержащее блок питания, нить, подвес, ось качания, электромагнит и геркон, отличающееся тем, что, с целью повышения демонстрационных возможностей, оно содержит датчики угловых перемещений, линейных перемещений и экстремальных положений под4 веса, электромагнитные реле, дифференцирующие ячейки, триггер, ждущие мультивибраторы, усилитель, регулятор амплитуды, ключи, двухканальный видеоконтрольный блок, электросекундомер и подпружиненный груз, причем к первому выводу блока питания подключены первые выводы датчика линейных перемещений подвеса и электромагнита и через обмотки соответствующих реле — каждый из контактов датчика экстремальных положений подвеса, ко второму выводу блока питания подсоединены перекидной контакт датчика экстремальных положений подвеса, движок датчика угловых перемещений подвеса, второй

896670 вывод датчика линейных перемещений подвеса и через геркон — один из выводов триггера, при этом каждый из выводов датчика угловых перемещений подвеса соединен через дифференцирующие цепочки и замыкающие контакты каждого из реле к первому и второму входам усилителя, к третьему входу которого подключены движок датчика линейных перемещений подвеса и первый вход видеоконтрольного блока, при этом ко второму выводу электромагнита, подключены через первый ключ выход триггера, через последовательно соединенные регулятор амплитуды и второй ключ — выход усилителя, через третий ключ — второй вход триггера и выходы ждущих мультивибраторов, причем вход первого мультивиб ратора через второй замыка JlllHH контакт первого реле, вход второго мультивибратора, четвертый ключ и второй замыкающий контакт второго реле подключен ко второму выводу источника питания, при этом первый ждущий мультивибратор зашунтирован пятым ключом, ко входу триггера подключен электросекундомер, а первый вывод датчика угловых перемещений подвеса подсоединен ко второму входу видеоконтрольного блока, причем движок датчика линейных

10 перемещений подвеса механически связан с грузом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Харкевич А. П. Автоколебания. М., 1954, с. 131 — 323.

z.Z

Составитель В. Тюркин

Редактор М. Лысогорова Техред А. Бойкас Корректор С. Щомак

Заказ 117! 2/40 ТиражЦ 73 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП <Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

896670 г.2

Редактор М. Лысогорова

Заказ 11712/40

Составитель В. Тюркин

Техред А. Бойкас Корректор С. Щомак

ТнражЦ V5 Г1одписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4