Учебный прибор по физике Советский патент 1983 года по МПК G09B23/06 

(54) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ

Изобретение относится к учебньом приборам по физике.

Известен учебный прибор по физике, содержащий стержневой сердечник, на одной поверхности которого закреплен полый кронштейн с расположенным на его верхней поверхности ползуном, осветителем и фотоприемником, электрически соединенным с регистратором, и блок питания 1.

Недостатком известного устройства является невысокая эффективность обучения.

Цель изобретения - повышение эф- . фективности обучения.

Поставленная цель дотигается тем, что учебный прибор по физике, содержащий стержневой сердечник с обмоткой, на одной поверхности которого закреплен полый кронштейн с расположенными на его верхней поверхности ползуном, осветителем и фотоприемником, электрически соединенным с регистратором, и блок питания, имеет звуковой генератор, переключатель, диод, потенциометры, дополнительную обмотку, пневмокомпрессор и пневмопривод, один конец которого сообщается с полостью кронштейна, а другой подключен к выходу пневмокомпрессора.

при этом первый выход блока питания соединен с первым выходом звукового генератора и первым выводом первого потенциометра, второй вывод которого связан с одним выводом обмотки, подключенной другим выводом к второму выходу блока питания и через переключатель к второму выводу звукового генератора, который третьим выводом

10 соединен с первым выводом второго потенциометра, который вторым выводом связан с одним из выводов дополнительной обмотки, подключенной другим выводом к аноду диода, соединен15ного катодом с четвертым выводом зву кового генератора.

На фиг, 1 схематически изображен учебный прибор по физике; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг.З

20 кривые зависимости центробежной и ку- лоновской сил от радиуса орбиты; на фиг. 4 - элементы орбит движения ползуна; на фиг. 5 - траектории движения ползуна при параметрическом резонан25се.

На фиг. 4 и 5 приняты следующие обозначения: X, У - оси координат, а - большая полуось эллипса,b - маj пая полуось эллипса, Р - фокальный параметр, F, F - фокусы эллипса,

pmax максимальный радиус эллипса, prnJn минимальный радиус эллипс-а, со - угловая скорость ползуна при изохронной ротации, СО, - угловая скорость либрации эллипсной орбиты ползуна.

Учебный прибор по физике содержит железный сердечник .1, на котором размещены первая 2 и вторая 3 обмотки. На верхний конец сердечника 1 надета полая столешница 4 с бортиком 5, а полость 6 столешницы 4 соединена пневмоприводом 7 с пневмокомпрессором 8. Осветитель 9 установлен на сердечнике 1, а фотоприемник 10 - на бортике 5 и электрически соединен с регистратором 11. Железный ползун 12 может двигаться по верхнем плоскости 13, которая снабжена многочисленными тонкими отверстиями 14. Первый выход блока 15 питания соединен с первым входом звукового генератора 16 и через потенциометр 17 - с входом первой обмотки 2. Второй выход блока 15 питания соединен с выходом Первой обмотки 2 и через переключатель 18 - с вторым входом звукового генератора 16. Первый выход генератора 16 через потенциометр 19 соединен с входом второй обмотки 3. Выход второй обмотки 3 через диод 20 соединен с вторым выходом генератора 16. На верхней плоскости 13 столешницы 4 яркой краской нанесены концентрические окружности 21. Кроме этого, на фиг. 3-5 кривая 22 обозначает изменение центробежной силы FP от .радиуса орбиты р, кривая 23 - изменение магнитной кулонов.ской силы F от радиуса р , кривая 24 - результирующая этих двух сил, кривая 25 - круговая орбита,, кривая 26 - эллиптическая орбита, 27 - ось эллипса.

При этом первый выход блока 15 питания соединен с первым выводом звукового генератора 16 и первым выводом первого потенциометра 17, второй вывод которого связан с одним выводом обмотки 2, подключенной другим выводом к второму выходу блока 15 питания и через переключатель 18 - к второму выводу звукового генератора 16, который третьим выводом соединен с первым выводом второго потенциометра 19, который вторым выводом связан с одним из выводов дополнительной обмотки 3, подключенной другим выводом к аноду диода 20, соединенного катодом с четвертым выводом звукового генератора 16.

На предлагаемом учебном приборе по физике демонстрируют изохронную ротацию тепла в поле тяготения магнит ных сил Кулона и параметрически резонанс изохронной ротации.

Изохронная ротация возможна в том случае,если на круговой орбите обращающееся тело удерживается другим

телом, силой взаимного притяжения изменякяцейся по обратноквадратичному закону от расстояния между телами,

В прототипе изохронная ротация шара по плоскости параболоида обусловлена Ньютоновой силой взаимного притяжения шара и земли.

В предлагаемом приборе изохронная ротация обусловлена наличием удерживающей силы, развиваемой электромагнитом.

Изохронная ротация от сил тяготения означает движение тела по круговой (эллипсной) орбите с постоянным периодом обращения, обусловленное наличием сил тяготения между обращающимся телом и телом, относительно |Которого происходит движение.

Изохронная ротация Земли вокруг Солнца обусловлена наличием силы взаимного тяготения.

Перед демонстрацией изохронной ротации тела оператор устанавливает в среднее положение потенциометр 17, включает осветитель 9,. регистратор 11, компрессор 8 и блок 15 питания в сеть, при этом переключатель 18 разомкнут.

Компрессор 8 начинает нагнетать воздух в полость 6 столешницы 4, который затем выходит через отверстия 14 в верхней плоскости 13, в резуль-. тате чего между ползуном 12 и верхней плоскостью 13 образуется воздушная подушка, обеспечивающая ползуну минимальное трение.

После подготовки оператор прижимает к бортику 5 ползун 12 и энергично толкает его по кругу. В результате этого ползун обращается по круговой орбите вокруг полюса электромагнита с собственной частотой и каждый раз пересекает луч света, падающий от осветителя 9 на фотоприемник 10, а регистратор 11, связанный с фотоприемником 10, за каждый оборот измеряет угловую скорость со .

На движущийся по круговой орбите радиусом J ползун действует центробежная сила FO, которая уравновешена кулоновской силой Рц магнитного притяжения. Кроме того, ползун обладает моментом количества движения L.

Демонстрирование изохронной ротации тела в поле тяготения магнитных сил Кулона сводится к исследованию уравнения :

Fp со тр

J

1)

Р

со

mpi

J

где FP - центробежная сила; m - масса ползуна; jO - радиус орбиты; кулоновская сила; масса ползуна в абсолютных магнитных единицах; масса электромагнита в абсо лютных, магнитных единицах; угловая скорость; момент количества движения. Графическое решение уравнения (1) представлено на фиг. 3. На результирующей 24 имеется потенциальная яма, наличие которой ука эывает на то, что данная система обладает резонансными свойствами, а ползун. 12 имеет собственную частоту обращения, не зависящую от радиуса) .(Дж. Орир Популярная физика, М. 1969, с. 94-95). Если момент количества движения уменьшился от значения h до h , то угловая скорость СО уменьшится до ско рости со (уравнение 1.3). Это приводит к уменьшению центробежной силы FP (уравнение 1.1), в результате чеаго кулоновская сила уменьшит радиус р орбиты (уравнение 1.2), а уменьшение радиусаjD приводит угловую скорость к исходной резонансной to (урав нение 1.3). Этот процесс длится до соприкосновения ползуна 12 с сердечником 1. Девиация угловой скорости собственной частоты обращения ползуна - по показаниям регистрирующего устройства не превышает + . Собственная частота изохронной po тации зависит от величины магнитного поля, т.е. если оператор увеличивает ток потенциометром 17 в обмотке 2, т ползун 12 переходит на меньшую орбиту, а угловая скорость возрастает, и наоборот, при уменььаении магнитного поля ползун 12 переходит на большую орби-ту,. а угловая скорость умень шается. Это в свою очередь демонстри рует закон сохранения момента количества движения (угловая скорость отслеживается по показаниям регистра тора 11, а диаметр орбит - по концентрическим окружностям 21). Для демонстрирования параметричес кого резонанса изохронной ротации оператор устанавливает потенциометр 17 в среднее положение, а потенциометр 19 в нулевое положение, включает осветитель 9, регистратор 11, комп рессор 8 и блок питания 15 в сеть, при этом переключатель 18 замкнут. Затем оператор прижимает к бортику 5 ползун 12 и энергично толкает его по кругу.. Измерив собственную частоту обращения ползуна 12 по регистратору 11, оператор выставляет эту же частоту на генераторе 16 и потенциометром 19 постепенно увеличивает ток во вто рой обмотке 3. Из-за наличия диода 20 ток в обмотке пульсирует один раз за один период обращения ползуна 12 со скважностью, равной единице. Магнитные потоки от действия этих двух обмоток складываются, в результате чего один раз за период обращения ползун ближе подтягивается к сердечнику электромагнита, т..е. круговая орбита ползуна 12 (фиг. 4 , кривая 25) трансформируется в эллиптическую (кривая 26), при этом на регистраторе 11 наблюдается .набегание угловой скорости, которая тем больше, чем больше амплитуда накачки. В связи с тем, что частота накачки (частота тока, вь .даваемого генератором 16) остается неизменной, а угловая скорость со обращения несколько увеличилась, происходит либрация эллиптической орбиты, т.е. большая ось 27 элилпса начинает вращаться вокруг своего фокуса с угловой скоростью со, (фиг. 5). Демонстрируемое явление аналогично явлению раскачивание качелей (С.П. Стрелков Ведение в теорию колебаний, М., 1964, с. 172-174). Движение по эллипсу (фиг. 4, кривая 26) происходит при условии, что . т.е. длина радиуса эллипса i, начало которого лежит в фокусе F, мало изменяется по сравнению со средней длиной радиуса эллипса-jOo, причем - амплитуда укороче.ния радиуса J) , которая равна Р Р fmaxJniin.c-os-Jt l + 8cos(-i)t, гдергяд максимальное значение радиуса эллипса; PiTnn минимальное значение радиуса эллипса. Каждое из слагаемых данного уравнения есть уравнение эллипса в полярных координатах, где Р - фокальный параметр Р --В- ; (3) - эксцентриситет ЕН1Ь - малая полуось эллипса; а - большая полуось эллипса; 9 - .частота накала. Уравнение параметрического резонанса изохронной ротации имеет вид Р Р f ECOS-Oi + ecos( Момент количества движения L по эллиптической орбите равен моменту количества движения по кругош й орбите и не зависит от амплитуды накачки т.е. остается неизменным L « 00 тр conet(6) Момент количества движения вибрации эллипса равен -СО.,,, где Ьду5р - момент количества движения либрации эллипса; СО угловая скорость либрации эллипса; m - масса ползуна 12; . .Ртик максимальный радиус эллип са. . - Момент количества движения либрации эллипса Ьду,р зависит от амплитуды накачки. Если оператор увеличивает ток во второй обмотке 3 потендиог етром 19, то увеличиваются радиус эллипса , набегание угловой скорости со и угло вая скорость либрации со Эти явления наблюдатель видит по регистратору 11 и по отношению к кон центрическим окружностям 21, Если оператор будет уменьшать ток во второй обмотке 3, то уменьшается набегание скорости СО , эксцентрисите эллипса и скорость (jJ либрации оси 27 эллипса. Траектория движения ползуна 12 по поверхности 13 столешницы 4 схематически представлена на фиг. 5. Сначала ползун совершает круговые движения с угловой скоростью ы , а после включения Тенератора синусоидального тока круговая орбита трансформируется в эллиптическую, причем наблюдается либрация большой оси эл липса с частотой СО , при этом длина большой оси эллипсаи скорость ее либрации зависят от амплитуды укорочения i., , Полный момент количества движения равен. . (в) Для того, чтобы убедиться, произо ла ли накачка при параметрическом ре зонансе изохронной ротации, необходи МО разомкнуть переключатель 18, в результате чего эллипсная орбита сра зу же срывается на круговую, причем диаметр круговой орбиты становится больше исходной круговой орбиты, что сразу видно по концентрическим окруж ностям 21. Параметрический резонанс возмо-жен на частотах накачки , кратной частоте обращения f ползуна 12, ,j ifl, где п 1,2.3,.., однако с увеличением частоты накачки приходится увеличивать ток пульсации во второй обмотке 3, т.е. КПД накачк убывает с увеличением частоты, Максимум максиморум параметрического резонанса наблюдается при п 1. Параметрический резонанс возможен при соотношении где Ef - энергия потерь; Е - энергия накачки. Во избежании разрушения прибора демонстрирование параметрического резонанса изохронной ротации производят постепенно, плавно увеличивая ток в обмотке 3 с выдержкой по времени 1 - 2 мин после каждого прибавления тока, не допуская ударов ползуна 12 о бортик 5 и сердечник 1, При перекачке вращательного движения потенциометр 19 быстро устанавливают в нулевое положение. Дидактическая эффективность заключается в том, что с помощью учебного прибора по физике раскрывается физическая сущность существования эллиптических орбит планетарных систем и вибрации эллиптических орбит, заключающаяся в том, что ведущая планета (например Солнце) один раз за период обращения ведомой планеты (Земля) притягивает ее сильнее. Тем самым ведущая планета сообщает ведомой планете дополнительную энергию, которую она теряет на совершение движения по орбите, и поэтому Всегда одна из планет находится в фокусе эллипсной орбиты. Использование изобретения позволив, повысить эффективность обучения. Формула изобретения Учебный прибор по физике, содержащий стержневой сердечник с обмоткой, на одной поверхности которого закреплен полый кронштейн с расположенными на его верхней поверхности ползуном, осветителем и фотоприемником, электрически соединенным с регистраторе, и блок питания, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности обучения, он имеет звукЬвой генератор, переключатель, диод, потенциометры, дополнительную обмотку, пневмокомпрессор и пневмопривод,; один конец которого сообщается с полостью кронштейна, а другой годключенк выходу пневмокомпрессора, при этом первый выход блока питания соединен с первым выводом звукового генератора и первым выводом первого потенциометра, второй вывод которого связан с одним выводом обмотки, подключенной друг выводом к второму выходу блока питания и через переключатель к второму выводу звукового генератора, который третьим выводом соединен с первым выводом второго потенциометра, который вторым-вьшодом связан с одним из выводов дополнительной обмотки/ подключенной другим выводом к аноду диода, соединенного катодом с четвертым выводом звукового генератора.

Ви А

Источники информации, принятые во внимание при экспертизы

0

она of7rmaj7 c/Sc/f uj

/ o/ne/ i(ua/7b/v0/f

фие.д

jOMo )(fe 4/с/

fp -М - Рр уль 77ир1 и а

6

25

-Х

фигЛ

-Х

/

X

X

фиг. 5