Учебное пособие по механике Советский патент 1984 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к учебным пособиям по механике и может быть использовано для демонстрации законов изохронной ротации.

Известно учебное пособие по мехаНике, содержащее подвижную механичес кую систему с постоянным магнитом, посредством тяги соединенную с сердечником электромагнита, датчик частоты, триггер, регулятор амплитуды, подсоединенный к обмотке электро маг1нГита/ ключи управления, регистратор и блок питания tW

Однако известное пособие не позволяет демонстрировать законы изохронной ротации, что сужает его дидактические возможности

Целью изобретения является расширение дидактических возможностей. |

Поставленная цель достигается I тем, что учебное пособие по механике, содержащее подвижную механическую систему с постоянньил магнитом, посредством тяги соединенную с сердечником электромагнита,датчик частоты, тригзгер, регулятор с1мпли,туды, подсоединенный к обмотке электромагнита, ключи управления, :регистратор и блок питания, снабжено генератором пилообразного напряжения и вторым датчиком частоты, электрома нит содержит вторую обмотку, а механическая система включает размет ценную вертикально в по;сц11ипниках вращения трубку с прорезями, ось,противовес с тягой и инерционные массы, закрепленные на противоположных концах коромысел, при этом первый датчик частоты соединен с входом регистратора и первым входом триггера, второй соединён с рторым входом триггера, выход которого через первый ключ соединен с управляющим входом генератора пилообразного напряжения,,выходы которого подсоединены к клеммам первой обмотки электромагнита, причем первая из клемм второй обмотки соединена с одним из выходов генератора пилообразного напряжения и первым выходом блока питания, второй выход которого через регулятор амплитуды соединен с второй клеммой второй обмотки, при этом коромысла разйещены в прорези трубки на оси и связаны посредством тяг с противовесом и сердечником электромагнита, размещенных на противоположных концах,трубки.

На фиг.1 изображена подвижная, механическая система, на фиг. 2 - .при ципиальная схема учебного пособия.

Учебное пособие содержит вертикальную трубку 1 с прорезями 2, установленную в подаипниках вращения 3 В прорезях 2 на оси 4 установлены коромысла 5, на концах которых закреплены инерционные массы б, выполненные в виде металлических шаров.

Коромысла 5 посредством тяг 7-10 связаны с противовесом 11 и сердеч.НИКОМ электромагнита 12, расположенных на противоположных концах трубки 1 .

В трубке расположен постоянный магнит 13, взаимодействующий с дат чиками 14 и 15 частоты, выполненными в виде герконов, которые подсоединены соответственно к регистратору 1 и триггеру 17, который через ключ 18 подсоединен к управляющему входу генератора 19 пилообразного напряжения. Выход генератора 19 подсоединен к первой обмотке 20 электрома1:нита 21, вторая обмотка которого 22 чере регулятор 23 амплитуды подключена к блоку 24 питания, а через второй ключ 25 подключен генератор 19 пилообразного напряжения. Для регулирования величины хода сердечника 12 имеется упор 26.

Учебное пособие работает следующим образом.

Перед демонстрацией изохронной ротации преподаватель .устанавливает в среднее положение регулятор 23 амплитуды, включает в сеть блок 24 питания и блок регистрации 16 и вывинчивает УПОР 26 faK, чтобы сердечник полностью втянулся в катушки 21 , а инерционные массы 6 примкнулись к оси 1 вращения, при этом ключи 18 и 25 разомкнуты.

После подготовки преподаватель накручивает на ось 1 вращения по стрелке А прочную нить ( нить не показана) и тянет ее с нарастающей скоростью. При этом инерционные массы 6 занимают какую-то орбиту вращения, а маятник начинает вращаться с собственной частотой.

За каждый оборот маятника постоянный магнит 13 вырабатывает импульс на датчике 15, который поступает на вход регистратора 16, тем самым происходит регистрация угловой скорости oJ .

На движущиеся по круговой орбите инерционные массы 6 действует центробежная сила, которая уравновешена кулоновской силой, развиваемой сердечником 12 от взаимодействия с магнитным полем первой обмотки 20 . I

Для демонстрации квантового перехда энергии преподаватель устанавливает регулятор 23 в нулевое положение и устанавливает упор 26 так, чтобы сердечник 12 полностью входил в катушку 21, а инерционные массы 6 прижаты к оси 1 вращения, затем переводит генератор пилообразного напряжения в режим работы с подачей импульса от руки, установив при этом максимальную длительность нарастания импульса ( например 3 с) и максимальную амплитуду импульса. После этого преподаватель включает регистратор 16 и блок 24 питания в сеть, а затем,намотав нить на ось 1 вращения, тянет ее с нарастающей скоростью. Под действием центробежной аилы массы займут максимальную орбиту. После отделения нити от маятника наблюдатель записывает показание исходной угловой скорости на регист раторе 16 и включает ключ 25. Генер тор 19 пилообразного напряжения выдает в цепь второй обмотки 22 нарас ющее напряжение, вследствие чего, сер дечник 12 плавно втягивается в катушку 21, инерционные массы 6, 5 и начинают сблизхать-ся со скоростью ук |рочения радиуса /. . В момент когда инерционные массы 4,6 и 5,7 займут минимальную орбиту flrry n (массы 4,6 и 5,7 прижаты оси 1 вращения) наблюдатель записыв ет показание угловой скорости сдЭг по регистрирующему устройству 16. Наблюдатель, зная исходную угло вую скорость.о) и максимальный ради орбиты так I вычисляет момент кол чества движения маятника по известн формуле L-cJfrtp, момент количества движения ; « - угловая скорость, nij -суммарная масса 1(,гп,- инерционных масс 4, 5, 6 Ртах максимальный радиус орби ты. Затем, подставив значение prn-Jn полученное значение момента количес ва движения в формулу, наблюдатель определяет при о(: const значение угл вой скорости где tJ,. - теоретическая угловая скорость маятника для минимального радиуса о биты ; момент количества двиm 177,1-mg+- суммарная масса инерци т т онных масс 4, 5, 6 и 7 Р.„-п - минимальный радиус орСравнивая угловые скорости, полученную опытным путем и и)-г полученную теоретическим путем, наблюдатель видит, что - Для демонстрации параметрического резонанса изохронной ротации устана ливают упор 26 так, чтобы сердечник 12полностью вошел в катушку 21. Устанавливают регулятор 23 в среднее положение и включают блок 24 питания и регистратор 16 в сеть, ключи 18 и 25 при этом разомкнуты. Затем преподаватель, намотав нить на ось 1 вращения, тянет ее с нарастающей скоростью. Определив частоту изохронной ротации на генераторе 19, устанавливают частоту следования импульсов равной этой частоте и скорость нарастания равной скорости изохронной ротации. nocJie указанных манипуляций оператор включает ключи 18 и 25, в результате чего схема маятника переходит в режим автогенерации. Действительно, постоянный магнит 13вырабатывает на первом датчике 14импульс, который, поступая на первый вход триггера 17, включает его. Выработанный импульс р выхода триггера 17 поступает через ключ 18 на вход генератора 19 пилообразного напряжения, в результате чего происходит запуск. Когда Через полоборота второй дат.чик 15 выработает импульсы, которые поступят на второй вход триггера 17 и опрокинут его в исходное положение, генератор 19 отсечет нарастание переднего фронта пилообразного импульса. Поступающий пилообразный импульс тока с выхода генератора 19 на вход второй обмотки 22 создает на ней дополнительное магнитное поле, нарастающее со скоростью нарастания переднего фронта импульса, под действием чего сердечник 12 втягивается в катушку 21 со скоростью,нарастания переднего фронта импульса. Втягивание магнита 13 приводит к уменьшению радиуса,ротации маятника. По окончании действия импульса массы 6 под действием центробежных сил увеличивают орбиту. Явление фиолетовая катастрофа демонстрируется сразу же после демонстрации параметрического резонанса. Для этого, не перестраивая схемы, увеличивается скорость нарастания фронта импульса в два раэа, в результате чего происходит срывизОхронной ротации, т.е. ротация буд«)Т затухающей, что соответствует явлению фиолетовая катастрофа. Применение предлагаемого изобретения позволяет наглядно раскрыть явления: Квантовый переход ; Дефект закона сохранения момента количества движения и фиолетовая катастрофа, что существенно расширяет дидактические возможности прибора.

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО МЕХАНИКЕ, содержащее подвижную механическую систему с постоянныммагнитом, посредством тяги соединенную с сердечником электромагнита, датчик частоты, триггер, регулятор амплитуды, подсоединенный к обмотке электромагнита, ключи управления, регистратор и блок питания, отличающееся тем, что, с целью расширения дидактических возможностей, оно снабжено генератором пилообразного напряжения и вторым датчиком частоты, электромагнит содержит вторую обмотку, а механическая система включает размещенную вертикально в подшипниках вращения трубку с прорезями, ось, противовес с тягой и инерционные массы, закрепленные на противоположных концах коромысел, при этом первый датчик частоты соединен с входом Регистратора и первым входом триггера, второй датчик соединен с вторым входом триг.гера, выход которого через первый ключ соединен с управляющим входом генератора пилообразного напряжения, выходы которого подсоединены к клеммам первой обмотки электромагнита, причем первая из клемм второй обмотки соединена с одним из выходов генератора пилообразного напряжения и первым выходом блока питания, второй выход которого через регулятор амплитуды соединен с второй клеммой (Л второй обмотки, при этом коромысла размещены в прорези трубки на оси и связаны посредством тяг с противовесом и средечником электромагнита, размещенных на противоположных концах трубки.