Учебный прибор по физике Советский патент 1985 года по МПК G09B23/08 

Изобретение относится к учебным приборам и пособиям по физике и тео ретической механике и может быть испольЪовано для наглядной демонстр ции законов физики и механики, в частности закона движения центра ма системы. Цель изобретения - расширение демонстрационных возможностей. На фиг.1 представлен учебный при бор, общий вид; на фиг.2 - в.ид А на фиг.1. Учебный прибор по физике содержи установлен; ую на тележке 1 наклонну опору 2 и два закрепленных на опор .маятника 3, имеющие контактирующие с опорой 2 подшипники скольжения 4 и элемент связи маятников 3 в виде пережигаемой нити 5 (фиг.2), Каждый маятник имеет средство для изменени частоты его колебаний, состоящее из установленной посредством кронштейна 6 на опоре 2 плоской пружины 7 3 связанного с ней одним концом торсиона 8, фланца 9, закрепленного на оси 10 качания маятника и связан ного со свободным концом торсиона 8 и соединенного с фланцем 9 и подвесом I1 маятника поводка 12 с зажимом 13, при этом подвесы 11 обоих маятников 3 расположены в одной плоскости. Вместе с плоскими пружин ми 7 на кронштейнах 6 имеются регулировочные винты 14. Прибор работает следующим образом. При пережигании нити 5 маятники 3 освобождаются и начинают совершать встречные угловые колебательные движения (встречные качания) вдоль плоскости опоры 2 под действи ем моментов сил тяжести и моментов упругих сил торсионов 8, преодолевая моменты сил трения подшипников скольжения 4. При этом между маятниками 3 и тележкой 1 возникает силовое взаимодействие, которое вьшузщает тележку 1 совершать поступательные колебательные движения по неподвижной поверхности. Результатом демонстрации закона движения центра масс является опытное установление зависимости переносного движения тележки 1 от относительного движения маятников 3 при разных частотах их колебаний, изменяемых с помощью упругих элементов и путем изменения углов наклона 732 опоры 2 к продольной оси тележки I. При этом результаты наблюдений сопоставляются с теоретически предсказываемым результатом, определяемым уравнением: )f 4 ( +LQsi)Mlo6 , где Х„ - ускорение движения центра - ускорение переносного движения тележки 1; - угол отклонения, угловая скорость и угловое ускорение маятников 3; L - длина маятников 3; d - угол между плоскостью колебательного движения маятников 3 и продольной осью тележки I ; М - масса .тележки 1; m - масса одного маятника. В первом приближении наблюдаемое движение тележки 1 (Кононенко В.О. Колебательные системы с ограниченным возбуждением.- М.: Наука, 1964, . с. 51-59)можно представить как гармоническое колебание с медленно изменяющейся амплитудой, которая при стационарном колебании маятников 3 пропорциональна квадрату угловой частоты этих колебаний. Изменение частоты колебаний маятников 3 в приборе производится посредством изменения угла наклона опоры 2 к продольной оси тележки 1 и посредством моментов упругих сил закручивания торсионов 8, передаваемых маятниками 3 с помощью зажимов 13 поводков 12, закрепленных на фланцах 9, к которым прикреплены концы торсионов 8. Изменение моментов упругих сил закручивания торсионов производится путем изменения их натяжения, производимого с помощью регулировочных винтов I4 и плоских пружин 7-, к которым прикреплены свободные концы торсионов 8. . При использовании известного способа изменения частоты колебаний маятников 3 изменением угла наклона плоскости их колебаний (плоскости опоры 2) к продольной оси тележки 1 изменение частоты колебаний маятНИКОВ 3 практически не влияет на амплитуду колебательных движений тележки 1, поскольку при увеличении, например, частоты колебаний маятников 3 путем увеличения угла наклона опоры 2 к продольной оси тележки 1 происходит уменьшение проекции сил, действующих на тележку 1 вдоль горизонтальной плоскости неподвижной

ловерхности. Проекция этих сил на направление движения тележки 1 увеличивается только при уменьшении угла наклона опоры 2, однако в этом случае уменьшается и частотаколебаний маятников 3, которая при нулевом

угле наклона становится равной нулю Вследствие наличия моментов сопротиления сил трения подшипников скольжения 4 минимально допустимый угол наклона опоры 2 не может быть установлен равным нулю. Конечное значетг ние его, при котором .маятники 3 пратически прек1 ащают колебательное движение, определяются из условия равенства моментов проекции силы тяжести на плоскость опоры 2 моментам сопротивления сил трения подшипников скольжения 4. Опыты по изменению частоты колебаний маятников 3 и изменению амплитуды колебательных движений тележки 1 посредством изменения угла наклона опоры 2 в предлагаемом приборе проводятся при незакрепленных зажимах 13 поводков 12 на маятниках 3 (при неподключенных торсионах).

: Значительные и легко наблюдаемые При демонстрации зиачений амплитуды колебаний тележки 1 получают путем подключения торсионов 8 при закреплении з.ажимов 13 поводков 12

95373

на маятниках 3. В этом случае частота колебаний маятников 3 резко возрастает и в зависимости от вел.и чины кру тильной жесткости торсионов

5 8 и степени их натяжения с помощью плоских пружин 7 и регулировочных винтов 14 может устанавливаться в несколько раз большей, чем частота колебаний маятников 3 под

10 действием только проекции силы тяжести при заданном угле наклона опоры 2. Амплитуда колебаний поступательного перемещения тележки I за единицу времени возрастает при 15 этом пропорционально квадрату величины частоты. Например, при увеличе НИИ частоты колебаний маятников 3 за счет подключения торсионов 8 в 3,3 раза угловое ускорение увеличивается примерно в десяхь раз и во столько же раз увеличивается и ам-. плитуда ускорения колебательных перемещений тележки 1. -При этом демонстрируемое циклическое пере-

25 мещение тележки. 1 за единицу времени увеличивается также примерно на порядок. Такое увеличение перемещения талежки 1 очевидно с достаточно высокой точностью сопоставимо с переJQ мещением тележки предьюущего опыта, когда маятники 3 не соединены с помощью зажимов 13 поводков 12 с торсионами 8 и совершают колебания только под действием, проекции силы тяжести на плоскость опоры 2 при заданном угле ее наклона к продольной оси тележки 1.

УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ, содержащий установлеиную иа тележке наклонную опору и закрепленные на опоре два маятника, имеющих контактирующие с опорой подшипники скольжения и элемент для связи маятников в внде пережигаемой нити, отличающийся тец что, с целью расширения демонстрационных возможностей прибора, каждый маятник имеет средство для изменения частоты его колебаний, состоящее из установленной посредством кронштейна на опоре V плоской пружины, связанного с ней одним концом торсиона, фпанца, за- крепленного на оси качания маятника ;И связанного со свободным концом торсиона, и соединенного с фланцем и подвесом маятника поводка с зажимом, прн этом подвесы обоих маятников расположены,в одной плоскости. S

Фиг. г