УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ Российский патент 1995 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к моделированию криволинейного движения частиц внутри кристаллических тел, а также при сложении взаимно перпендикулярных колебаний и может быть использовано при автоматизации демонстрации сложения взаимно перпендикулярных колебаний, во время лекционных занятий по общему курсу физики, по ядерной физике и теоретической механике и в других областях.

Наиболее близкими к предлагаемому является учебный прибор по сопротивлению материалов, выполненный в виде двух перекрещенных в центре шарнирной рамы элементов, каждый из которых состоит из среднего и двух крайних недеформируемых участков, соединенных между собой упругим деформируемыми кольцами, при этом средние участки элементов жестко соединены между собой.

Однако такой прибор не позволяет получить и демонстрировать различные фигуры, показывающие траектории движения частицы под действием двух взаимно перпендикулярных колебаний.

Целью изобретения является получение и демонстрация наглядной модельной траектории с увеличением точности и наглядности модельной траектории движущейся частицы внутри кристалла вокруг остова атома.

Это достигается тем, что в приборе, содержащем каркас в виде двух перекрещенных в центре шарнирной рамы элементов, каждый из которых состоит из среднего и двух крайних недеформируемых участков, соединенных между собой упругим деформируемыми кольцами, при этом средние участки элементов жестко соединены между собой, каркас выполнен в виде квадрата, введены четыре пружины, одними концами прикрепленные к сторонам каркаса, а другими - к шарику, находящемуся в центре каркаса, в центре шарика расположена осветительная лампочка, которая подключена к источнику питания через включатель и токоограничитель (реостат в виде переменного сопротивления).

Изобретение поясняется фиг.1-4.

На фиг.1 показана схема учебного пособия по физике.

Источник 1 постоянного тока соединен с токоограничителем (реостатом в виде переменного сопротивления) 2 и через пружины 3-6 - с лампочкой, которая связана с шариком 7, расположенным в центре каркаса 9. Прибор имеет также включатель 10 и электроизолирующее приспособление 8.

Прибор работает следующим образом.

Источник питания 1 подключается через токоограничитель (реостат в виде переменного сопротивления) 2, лампочка загорается, шарик с лампочкой 7 выводится из положения равновесия, т.е. на шарик действуют взаимно перпендикулярные силы, через некоторое время шарик с лампочкой 7 начинает двигаться, причем траектория его движения описывается в виде эллипса. Благодаря лампочке вся траектория в течение всего времени движения будет видна четко и наглядно.

Физико-математические особенности явлений, происходящих при сложении взаимно перпендикулярных колебаний, объясняется по следующему закону.

Взаимно перпендикулярные колебания выражаются уравнениями:
x = Acosω t, (1)
y = Bcos(ω t + α ), (2) где x и y - смещение; A и B - амплитуды; ω - циклическая частота; t - время колебания; α - разность фаз обоих колебаний.

Решая уравнения (1) и (2), получают следующее уравнение:
+ - cosα = sin²α . (3)
Уравнение (3), описывается траекторией частиц, участвующих в двух взаимно перпендикулярных колебаниях. Из этого уравнения видно, что траектория частицы в этом случае зависит от разности фаз α . В зависимости от того, когда α=0, ± π, ± , (0, ± 90^о, ±180^о), траектория частицы вписывается при α = 0 и ± π в виде прямой линии, а при α = ± - в виде эллипса.

В данном случае траектория движущегося шарика почти всегда описывает эллипс. В зависимости от внешнего воздействия площадь эллипса будет различна, зная большие и малые полуоси, можно вычислить площадь эллипса.

При этом, можно определить эффективную мощность результирующих колебаний.

П р и м е р 1. Пусть на шарик действует внешняя сила F, разность фаз α = 0. Тогда траектория шарика приобретет форму прямой линии, лежащей в I и III четвертях (см. фиг.2).

П р и м е р 2. Пусть на шарик действует внешняя сила F, разность фаз α ± π . Тогда траектория шарика приобретает форму прямой линии, лежащей в II и IV четвертях (см. фиг.3).

П р и м е р 3. На шарик действует внешняя сила F, разность фаз α = α = ± .

Тогда траектория шарика приобретает форму эллипса, а уравнение имеет вид
+ = 1.

Площадь эллипса можно измерить с помощью результирующих колебаний
S = A²+B, где A и B полуоси эллипса; направление движения шарика зависит от α= +π/2 или α= -π/2 .

Мощность результирующих колебаний прямо пропорциональна площади эллипса.

Предлагаемое изобретение позволяет сэкономить время при объяснении данного материала на лекционных занятиях.

Изобретение относится к области обучения по физике, астрономии и теоретической механике, а также может быть использовано во время лекционных занятий и демонстраций учебного материала . Задача изобретения - увеличение точности функционирования и наглядности движения шарика, как модели движения микрочастиц. Увеличение точности функционирования и наглядности достигается за счет светящегося шарика и его связи с упругими элементами, закрепленными на раме. 4 ил.

УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ, содержащий квадратную раму и упругие элементы, каждый из которых одним концом соединен с рамой, отличающийся тем, что он имеет расположенный в центре рамы шарик с осветительным элементом, подключенным к источнику питания через выключатель и токоограничитель, а свободные концы упругих элементов соединены с шариком, при этом рама выполнена жесткой.