Учебный прибор по механике Советский патент 1992 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к учебно-наглядным пособиям по физике и предназначено для получения картины вынужденных колебаний на резонансных частотах и демонстрации амплитудных и фазовых соотношений вблизи резонанса. Теория вынужденных колебаний и резонанса имеет многочисленные приложения в науке и технике. Поэтому в предлагаемом плане она занимает в курсе физики особо видное место и хорошая наглядная демонстрация резонансных эффектов и его закономерностей для учебного процесса очень важна.

Известен прибор по физике, содержащий вибратор в виде уравновешенного камертона, установленного на штативе, резонатор, выполненный в виде струны с регулируемым натяжением, связанной с камертоном, и экран.

Недостатком известного прибора является отсутствие звена автоматического совмещения колебаний, а на больших частотах уловить наличие фазового сдвига, сопоставляя колебания на глаз, невозможно принципиально. Вместе с тем, видимость картины вынужденных колебаний на больших частотах оставляет желать лучшего, особенно в тех случаях, когда опыт демонстрируют в большом помещении. Оба замечания (отсутствие смешения (совмещения) колебаний с выходом на фазовый сдвиг и недостаточная видимость картины в большом помещении) снижают наглядность демонстрации.

Целью изобретения является повышение наглядности.

На фиг. 1 - принципиальная оптическая схема; на фиг. 2 - камертон с линзой: на фиг. 3 - крепление струны с экраном.

vj 00

CN 00 Ю

Проектируемым объектом служит луч от осветителя 1 через ярко освещенное круглое отверстие в легком непрозрачном эк- ранчике 2, скрепленном со струной. Тонкая линза 3, жестко связанная с ножкой электрокамертона 5 (фиг. 2), создает изображение отверстия в виде светлого пятна на экране наблюдения 4. Из геометрических соображений очевидно, что если струна (фиг. 3) и вместе с ней экранчик 2 совершает колебательное движение, тб аналогичные колебания, совпадающиес колебаниями отверстия по направлению и частоте, но увеличенные по амплитуде,будет совершать и пгтно. Если же в колебательное движение приведена линза 3, то пятно также совершает колебания, совпадающие с колебаниями оптического центра линзы по направлению и частоте при близком коэффициенте усиления по амплитуде. При одновременных колебаниях и струны и линзы пятно совершает сложное колебательное движение, представляющее векторную сумму двух этих колебаний. В рабочем положении камертон 5 ориентирован вертикально. При этом ножка камертона, а вместе с ней и линза 3, совершают горизонтальные колебания параллельные струне, тогда как экранчик 2 с источником при резонансе приходят в вертикальные колебания. Таким образом, сложное колебание представляет собой сумму двух взаимно перпендикулярных простых колебаний при большом коэффициенте их усиления по амплитуде. Вертикальные размеры результирующего колебания и его конфигурация позволяют сделать однозначный вывод об амплитуде вынужденного колебания и о сдвиге фаз.

К одной из ножек этого камертона жестко прикреплена небольшая линза 3, заключенная в металлическую оправку 6. К другой его ножке привинчен тщательно подогнанный противовес 7. Собственная Частота такого уравновепенного и поэтому по-прежнему хорошо резонирующего камертона с линзой составляет 51 Гц, Камертон укреплен на небольшой деревянной доске при помощи двух П-образнцх винтов- скобок, прижимающих стебель камертона к фанерной прокладке, проложенной между стеблем и доской. На лицевой стороне доски рядом с камертоном вблизи одной из его ножек на расстоянии в 1 /3 дины ножки, считая от ее конца, установлен электромагнит 8, изготовленный из двух небольших стандартных катушек, Мзсто закрепления электромагнита выбрано с таким расчетом, чтобы сердечники катушек располагались напротив ножки камертона и чтобы между сердечниками и поверхностью ножки возникал зазор шириной 6-7 мм. Прерывателем цепи 9 служит пластинка латунной жести подходящей упругости, имеющая длину 5 см и ширину 0,7 см. Эта пластинка прикреплена одним своим концом к верхней части алюминиевой стойки, установленной между ножками камертона примерно на середине их длины, а другим концом, имеющим на- пойку из серебра, касается внутренней сто0 роны возбуждаемой электромагнитом ножки камертона. При помощи врезанного в алюминиевую стойку регулировочного винта с контргайкой, упирающегося в контактную пластину, последняя отжимается в 5 сторону внутренней поверхности возбуждаемой электромагнитом ножки камертона до легкого касания. Вращая регулировочный винт, можно в ходе работы электрокамертона изменять степень прижатия контактной

0 пластинки и, таким образом, регулировать амплитуду колебаний камертона, а следовательно, и амплитуду колебаний прикрепленной к нему линзы. Питание электрокамертона включает источник по5 стоянного тока 10 на 4-5 В (батарею щелочных аккумуляторов из 3-4 банок) и конденсатор 11 емкостью в 1 мкф, закрепленный на тыльной стороне доски камертона для гашения искры в прерывателе.

0 Струна имеет длину около 100 см, Она изготовлена из железной проволоки диаметром 0,5 мм. Выбор указанного материала для струны, как и выбор диаметра проволоки не случаен. Практика показала,

5 что колебания железной струны диаметром 0,5 мм в подходящем для демонстрации интервале частот при указанных ниже условиях опыта оказываются устойчиво плоскополяризованными, в отличие, например, оттогослу0 чая, когда используется стальная струна такого же диаметра 0,5 мм или железная струна большого диаметра. После необходимого поворота крепящей головки 12 вынужденные колебания, возбужденные в такой стру5 не, надежно сохраняются в вертикальной плоскости без применения каких-либо дополнительных поляризующих устройств. В отверстии, вырезанном в стойке 13, при помощи ограничивающей гайки 15, закрепле50 на зажимающая головка 12 в виде полого винта. В головке 12 посредством винта 16 закреплен один конец струны 17. Конструкция головки 12 позволяет в случае необходимости поворачивать в нужной степени

55 этот конец струны вокруг ее длины. Стойка- пластина 14, укрепленная на противоположном краю скамьи, имеет на соответствующей высоте вырез-отверстие, через которое продевается второй конец струны, Эта стойка- пластина служит лишь для упора винтов

пластины 18, в которой посредством винта 19 жестко крепится второй конец струны. Пластина 18 отделена от пластины 14 тремя регулировочными винтами 20, 21, 22, которые упираются в опорную пластину 14 и таким образом, создают необходимое регулируемое растяжение струны. Регулировочные винты 20, 21 расположены на одной горизонтали выше места закрепления струны на 1 см. Эти винты позволяют осуществить грубую регулировку натяжения. Третий винт 22, находящийся ниже места закрепления струны на значительно большем расстоянии (7 см), служит для плавной регулировки ее натяжения. С серединой струны скреплен экранчик 2 на легком каркасе, изготовленном из трех швейных иголок и напоминающем по своему виду опрокинутую на бок букву Н. Этот каркас припаян средней своей частью к струне так, чтобы плоскость каркаса оказалась вертикальной. Экранчиком 2 служит подклеенный к каркасу квадратный листок черной оберточной бумаги (4x4 см ), окрашенной со стороны, обращенной к источнику света, алюминиевой краской. Вблизи средней части экранчи- ка 2 имеется небольшое круглое отверстие диаметром 0,5-1 мм. Общий вес каркаса с экранчиком составляет около 1,5 г.

Для создания в средней части экранчи- ка 2 вблизи отверстия сильно освещенной области, продольные размеры которой превосходят размах колебаний отверстия, используется осветитель 1 от стандартной скамьи. Кожух осветителя закреплен в средней части рельсов оптической скамьи с таким расчетом, чтобы фокусирующий объектив, придвинутый вплотную к конденсору осветителя располагался на краю скамьи. Расстояние от объектива до области наибольшей концентрации светового потока в этом случае составляет примерно 8 см. Поэтому при максимальном приближении осветителя к скамье струны расстояние между экранчиком 2 и объективом осветителя не должно превосходить указанную величину. Это обстоятельство учтено при выборе местоположения держателей струны на скамье. А длина ножек скамьи струны подобрана с таким расчетом, чтобы центры объектива осветителя и отверстия в экранчике 2 лежали на одной горизонтали. Источником света в осветителе служит кинопроекционная лампа на 300 Вт (110 В).

Цель опытов заключается в возбуждении вынужденных колебаний струны-резонатора под влиянием вибрирующего камертона, смещении (совмещении) колебаний вибратора и резонатора и исследовании амплитудных и фазовых характеристик

колебаний резонатора вблизи резонанса по виду результирующего колебания, наблюдаемого по методу оптического осциллографа.

5При подготовке опытов ориентированный вертикально камертон закрепляют на штативе и устанавливают этот штатив непосредственно на скамье со струной с тем, чтобы необходимая связь между камерто10 ном и струной осуществлялась через основание штатива и скамью. Для большей изоляции колебательной системы от демонстрационного стола и предотвращения возможной утечки энергии под ножки скамьи

15 подкладывают дополнительные резиновые подкладки. Осветитель 1 придвигают к скамье и устанавливают с таким расчетом, чтобы область концентрации светового потока соответствовала средней част и экран0 чика 2, скрепленного со струной, а отверстие оказалось в центре освещенной области. Перемещая штатив камертона, добиваются совмещения отверстия с главным фокусом линзы 3. Тогда на экране 4, удален5 ном на несколько метров от прибора/наблю- дается резкое и яркое пятно. При возбуждении колебаний камертона это пятно растягивается в яркую практически горизонтальную полосу. Манипулируя далее

0 винтами натяжения струны, сперва грубой, а затем плавной регулировки, добиваются приближения собственной частоты колебаний струны к частоте вынуждающей силы - частоте камертона. При этом, если

5 смотреть на струну, то можно видеть, что она начинает резонировать, вследств ие чего отверстие приходит в слабые вертикальные колебания, а на экране 4 светлая полоса слегка наклоняется, оставаясь сперва прак0 тически прямой, поскольку амплитуда вынужденных колебаний невелика, а фазовый сдвиг между вынужденными колебаниями струны и колебаниями камертона остается близким к нулю. По мере приближения к

5 резонансу амплитуда вынужденных колебаний возрастает. Вместе с тем возрастает и величина сдвига. Вследствие этого результирующее колебание деформируется в эллипс, большая ось которого постепенно

0 поворачивается, а его эксцентриситет убывает. В момент резонанса амплитуда вынужденных колебаний наибольшая, а сдвиг 6(р -71/1. Это значит, что эллипс оказывается наиболее сильно раздут по вертика5 ли, а ориентация его осей совпадает с вертикальным и горизонтальным направлениями. С методической точки зрения наиболее целесообразно подобрать такие условия опыта, а это можно сделать, при которых

резонансная амплитуда струны оказывается равной амплитуде колебаний ножки камертона - оптического центра линзы 3. В этом случае сложное колебание в момент резонанса представляет собой окружность и фазовые соотношения выражены наиболее явно. По мере прохождения резонанса при дальнейшем плавном изменении натяжения струны результирующее колебание снова начинает сжиматься в вертикальном направлении, а эксцентриситет эллипса - увеличиваться. При этом большая ось эллипса продолжает поворачиваться в пространстве и эллиптическое колебание постепенно вырождается в прямую, приближающуюся к горизонтальному направлению () . Не менее отчетливо указанные закономерности наблюдаются и при значительно большем натяжении струны, при котором собственная частота колебаний струны приближается к 2 V0 , где v0 - частота камертона. В пределах узкого интервала частот вблизи частоты 2 V0 амплитуда вынужденных колебаний струны резко

возрастает и затем также резко убывает практически до нуля. При этом фазовый сдвиг д р возрастает от нуля до л, проходя через значение в момент резонанса. Указанный характер изменения величины б у однозначно интерпретируется по форме возникающих при этом фигур Лис- сажу.

Формула изобретения

Учебный прибор по механике, содержащий вибратор в виде уравновешенного камертона, установленного на штативе, резонатор, выполненный в виде струны с регулируемым натяжением, связанной со

штативом, и экран, отл и ч а ющи и с ятем, что, с Целью повышения наглядности, он имеет установленную на ножке камертона линзу, непрозрачный экран с отверстием, закрепленный в средней части струны, и

осветитель для направления светового до- тока в отверстие непрозрачного экрана, при этом между экранами установлена проектирующая линза.

Использование: повышение наглядности и эффективности демонстрации амплитудных и фазовых соотношений при резонансе. Сущность изобретения: прибор содержит вибратор в виде уравновешенного электрокамертона, закрепленного в штативе, установленном на деревянной скамье, резонатор в виде закрепленной на той же скамье железной струны с регулируемым натяжением, вынужденные колебания которой возбуждаются за счет связи с вибратором через основание штатива и скамью, и удаленный экран наблюдения. С помощью прибора осуществляют оптическое смешение колебаний вынуждающей силы вибратора с вынужденными колебаниями резонатора (струны) посредством светосильной линзы, жестко закрепленной на вибраторе. При этом точечным источником света служит ярко освещенное малое отверстие в легком непрозрачном экранчике, скрепленном со средней частью струны, а введение проектирующей линзы наряду с функцией смешения колебаний обеспечивает высокую светосильность устройства, позволяющую добиться большой освещенности картины при больших ее размерах. Зил. w w Ё

фиг. d

Фиг. г

Ф

f///W///////,///////.