Учебный прибор по физике В.А.Чернышева Советский патент 1986 года по МПК G09B23/08 

X

Фиг.1

средством опор вращения 4 прикреплены две параллельные оси качаний 5 и 11, каладая из которых несет на одном конце инерционную массу. Одна инерционная масса 15 с осью качаний 5 представляет собой собственно маятник, а другая совместно с торсионом 8 - средство для изменения момен та инерции. Торсионы 8 и 12 связаны с осями качаний, а каждая инерционная масса состоит из фланца 17 и сменного груза 18. Прибор имеет фик73976

саторы 24 для стопорения инерционных масс. Демонстрацию осуществляют в различных режимах: при разных величинах грузов, разных усилиях закрутки торсионов и при свободно вращаюйщхся на осях 5 и 11 или застопоренных инерционных массах. Для регистрации параметров колебаний прибор имеет шкалы 3 и 23 и стрелочные указатели 7 и 22, по которьм определяют соответственно размах колебаний и угол поворота инерционной массы 16. 3 ил.

Изобретение относится к учебным приборам и позволяет при демонстрации законов колебательного движения исследовать влияние момента инерции на размах колебаний. К стойке 2 поУ

Изобретение относится к учебным приборам по физике и теоретической механике и может быть использовано, например, для наглядной демонстращш колебаний маятников с переменным моментом инерции. Цель изобретения - повышение наГЛ51ДНОСТИ демонстрации путем увеличения эффективности влияния переменного момента инерции на размах колебаний. На фиг. 1 изображен учебный прибор по физике, общий вид; на фиг. 2 вид А на фиг. 1 (начальное положение стержня при фиксированном начальном угле относительно стойки); на фиг. 3то. же, при отклонении относительно стойки на фиксированный начальный . угол стержня. Учебный прибор по физике содержит установленную на неподвижном основании 1 стойку 2 со шкалой 3 отсчета размаха колебанш, маятник, состоящи из связанной со стойкой 2 посредство опор вращения 4 оси качаний 5 с неПОДВ1-1ЖНО закрепленным на ней вертикальным стержнем 6, имеющим стрелочньй указатель 7, и маятниковой инерционной массы, и средство Д.ПЯ изменения момента инерции маятника, состоящее из дополнительной инерционной массы и торсиона В с втулками 9 и 10 на концах. Учебный прибор имеет также расположенную параллельно оси качания 5 и связанную с нижней частью вертикального стержня6 дополнительную ось качаний 11, соединенную одним концом с одной из втулок 9 торсиона 8, вторая втулка 10 которого соединена с вертикальным стержнем 6. Учебньш прибор имеет дополнительньй торсион 12 с втулками 13 и 14. Втулка 14 закреплена на стойке 2, а втулка 13 связана с одним концом оси качаний 5, при этом каждая инерционная масса 15 и 16 состоит из закрепленного на свободном конце каждой из осей качаний 5 и 11 фланца 1 7 и связанного с фланцем 17 сменного груза 18, На стойке 2, вертикальном стержне 6 и связанном с дополнительной осью качаний 11 фланце 17 установлены штыри 19 для крепления пересжигаемой нити 20 и 21,причем фланец 17, связанный с дополнительной осью качаний 11, имеет стрелочный указатель 22, а вертикальный стержень 6 - шкалу 23 отсчета угла поворота инерционной массы 16. Дпя фиксации фланцев 17 со сменными грузами 18 в процессе работы с прибором на вертикальном стержне 6 установлены стопорные винты 24. Устройство в зависимости от задаваемых начальных условий работает следующим образом. П р и м е р 1. Задается начальное нулевое угловое положение ) 0 инерционной массы 16 относительно вертикального стержня 6 и ненулевое начальное положение О вертикального стержня 6 относительно неподвижной стойки 2, которое фиксируется путем связывания штырей 19 пережигаемой нитью 20 (фиг. 2). После пережигания пережигаемой нити 20 вертикальный стержень 6 начи нает совершать угловое переносное движение относительно неподвижной стойки 2, причем инерционная масса 16 вместе с фланцем 17 начинает сот вершать угловое (крутильное) относительное движение относительно стержня 6, Сумма относительного и перено ного движений определяет абсолютное движение инерционной массы 16 относительно неподвижной стойки 2, кото рое не является нулевым. Инерционна масса 15 остается при этом неподвиж ной относительно неподвижной стойки 2 и на колебания стержня 6 не ок зывает в этом случае никакого влияния . Относительно крутильные колебания (t) инерционной массы 16 приводят к тому, что момент инерции маятника предлагаемого приборя становится существенно переменной величины. Внешним проявлением возбуждения или действия переменного момента инерции является изменение характера узловых колебаний вертикального стержня 6, наблюдаемых по шкапе отсчета 3, и крутильных угловых колебаний инерционной массы 16, наблюдаемых по шкале отсчета угла поворота 23. Оба эти колебания являются связанными и описываются очевидной системой дифферен циальных уравнений ( SJL if + S sin ф) + L + -Vj- 0 n. i-i.aL4,. . A,, . .+ -f- sin ff ) 0 , где if - угол поворота стержня 6 относительно неподвижной стой ки 2; 5 - угол поворота инерционной массы 16 относительно стер. жня 6; т, I - величина и главный момент инерции и инерционной массы 16; L - расстояние между осями 5 и 11; ff--y постоянная кручения торсио- нов 8 и 12 соответственно; g - ускорение силы тяжести; t - время. Уравнения системы (1)составлены в предположении, что стержень 6 абсолютно жесткий, а его масса и момент инерции относительно оси качаний 5 пренебрежимо малы по сравнению с подобными величинами инерционной массы. Величины массы и момента инерции фланца 17 учитьшается в соответству- Ю1ЦИХ параметрах (величинах) инерционной массы 16. Система дифференциальных уравнений (1) решается перед демонстрацией при тех начальных условиях, которые затем выставляются на приборе при проведении демонстрации: (f const; 0; ,0; . Построенные теоретические графики сопоставляются затем с графиками, построенными на основе наблюдений. Для повьшения точности эксперимента визуальные наблюдения можно дополнить киносъемкой положений стрелочных указателей 22 и 7 относительно шкал отсчета 23 и 3 через заданные интервалы времени. П р и м е р 2. Задается начальное нулевое угловое положение вертикального стержня 6, Cfj, О, и нулевое начальное угловое положение инерционной массы 16 относительно верти кального стержня 6, О, которое фиксируется связьшанием фиксирующих штырей 19 пережигаемой нитью 21 (фиг. 3). После пережигания нити 21 инерционная масса 16 начинает совершать рутильные колебания относительно ертикального стержня 6, который наинает также совершать качания на неодвижной стойке 2. Порядок проведения опыта такой, ак в примере 1. Полученные графики олебаний вертикального стержня 6 и нерционной массы 16 сопоставляются графиками, построенными на основе ешения системы дифференциальных равнений (1). Однако это решение олжно проводиться при других, чем в первом случае, начальных данных, а именно: tf,0; -.- о; 0 const; Примеры 1 и 2 являются основными для данного прибора. Конструкция прибора дает, кроме того, возможности проведения целого ряда других демонстраций, которые можно проводить при различных условиях, например: при съеме каждого торсиона 8 или 12 вместе или в отдельности; стопорении совместном или раздельном фланцев 17 со сменными грузами 18 с помощью стопорных винтов 24; установке различных по величине масс и главных моментов инерции инерционных масс 15 и 16. В качестве пр.имера приведем несколько дополнительных опытов при снятых торсионах 8 и 12 из втулок 9 и 10 и, соответс венно, 13 и 14. П р и м е р 3. Демонстрация свободных колебаний физического маятника. Фланец 17 со сменным грузом 18 з крепляется неподвижно на вертикальн стержне 6 с помощью стопорного винт 24. Затем вертикальный стержень 6 отклоняется на заданный начальный угол cf О и фиксируется в заданном положении путем связывания фиксирую щих штырей 19 пережигаемой нитью 20 После пережигания последней вертикальный стержень 6 с неподвижно закрепленной на нем инерционной маесой 16 начинает колебательные движе ния как физический маятник. Эти колебания описываются известным дифференциальным уравнением d(f . raLg in (|) 0, I +mK2 которое решается предварительно для .различных задаваемых затем в опыте начальных углахо О и при ---- dt П р. и м е р 4. Демонстрация коле баний квази -математического.маятника . Фланец 17 со сменным грузом 18 растормаживается путем вывинчивания стопорного винта24. Затем вертикал ный стержень 6 выставляется в заданных начальных угловых положениях относительно неподвижной стойки 2 и фиксируется каждый раз путем связывания фиксирующих штырей 19 пережигаемой нитью 20. Колебания, которые совершает стержень после пережигания нити 20, описываются известным дифферениуяальным уравнением sin Cf 0, которое характеризует колебания маятника с периодом колебаний, отличающимся от периода колебаний, наблюдаемых в примере 3. П р и м е р 5. Демонстрация колебаний квази -математического маятника, имеющего период колебаний,равный периоду колебаний физического маятника. Этот опыт проводится при закреплении в неподвижном положении фланца 17 со сменньц и грузами 18 относительно вертикального стержня 6 с помощью стопорного винта 24. Затем опыт проводится аналогично проведению опыта в примере 4. В случае равенства величины момента инерции инерционной массы 15 величине момента инерции инерционной массы 16,. наблюдаемые колебания описьшаются уравнением (2) и имеют период колебаний, равный периоду колебаний физического маятника в опыте примера 3. . Формула изобретения 1. Учебный прибор по физике, содержащий установленную на неподвижном основании стойку с шкалой отсчета размаха колебаний маятник, состоящий из связанной со стойкой посредством опор вращения оси качаний с неподвижно установленным на ней вертикальным стержнем, имеющим стрелочный указатель, и маятниковой инерционной массы, и средство для изменения момента инерции маятника, состоящее из дополнительной инерционной массы и торсиона с втулками на концах, отличающийся тем, что, с целью повьшения наглядности демонстрации путем увеличения эффективности влияния переменного момента инерции на размах колебаний, он имеет расположенную параллельно оси качаний

и связанную с нижней частью вертикального стержня дополнительную ось качаний, соединенную одним концом с одной из втулок торсиона, другая втулка которого соединена с вертикальным стержнем, и дополнительный торсион с втулками , на концах, одна из которых закреплена на стойке, а другая - связана с одним из концов оси качаний, при этом каждая инерционная масса состоит из закрепленr-t

7

2739768

ного на свободном конце каждой из осей качаний фланца и связанного с фланцем сменного груза, а на стойке, вертикальном стержне и связанном с 5 дополнительной осью качаний фланце установлены штьфи для крепления пересжигаемой нити, причемфланец, связанный с дополнительной осью качаний, имеет стрелочный указатель, а верти10 кальный стержень - шкалу отсчета угла поворота инерционной массы.

79

фиг. 2

13

Cl

19

ЛЛ