Учебный прибор по механике Советский патент 1993 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к приборам и наглядным пособиям по физике и может быть использовано для изучения законов механики.

Наиболее близким к изобретению является учебный прибор по механике, в котором наглядность демонстрации закона движения центра масс материальной системы повышена за счет введения средства изменения угла наклона желоба.

Однако этот прибор имеет низкие демонстрационные и узкие дидактические возможности.

Цель изобретения - расширение демонстрационных и дидактических возможностей учебного прибора по механике.

Цель достигается тем, что в учебный прибор по механике, содержащий неподвижное основание, модель материальной системы, состоящую из подвижной платформы, наклонного желоба, массивного шарообразного груза, устройства для удержания груза в верхней части желоба и устройства для изменения наклона желоба.

указатель положения платформы относительно неподвижного основания, дополнительно включены вторая подвижная платформа, второй наклонный желоб, второе устройство изменения наклона желоба и устройство сцепления и расцепления подвижных пяатформ, состоящее из двух бол- тообразных зацепов, жестко соединенных с торцом одной платформы, и двуплечего рычага, установленного шарнирно на торце другой платформы, при этом геометрические оси зацепов и шарнира лежат в одной плоскости, плечи рычага входят в зацепление с зацепами по разные стороны этой плоскости, одно сверху, другое снизу, а одно из плеч включает в себя шарообразное тело, выступающее над уровнем платформы на высоту не более одной четверти диаметра шарообразного груза, но не менее высоты, равной h l/L, где h - высота зацепа, I - расстояние от оси шарнира до центра шарообразного тела, L -расстояние от оси шарнира до оси зацепа, при зацеплении плеча рычага снизу, и не менее трех четвертых диаметра

ел

V

Ю х|

«л

-N CN

шарообразного груза при зацеплении рычага выше оси зацепа.

Устройство изменения наклона желоба выполнено в виде вертикально установленной стойки с поперечными кольцевыми пазами и крюкообразного держателя. имеющего на одном конце крюк, внутренний диаметр которого равен диаметру паза стойки, внешний - диаметру стойки, а толщина - ширине паза, а на другом конце V-образный прямоугольный изгиб в плоскости, перпендикулярной плоскости крюка.

Желоб имеет форму прямоугольного уголка шириной в пределах 2/3-3/4 радиуса шарообразного груза.

Колеса подвижных платформ по ободу имеют V-рбразный паз,

Стойка устройства изменения наклона желоба имеет резьбу на обеих концах диаметром, равным диаметру оси колес платформы. .Платформа имеет три отверстия с центрами симметрии на продольной оси платформы. Два крупных отверстия одинакового диаметра (меньше диаметра стойки,, но больше диаметра резьбы) расположены: одно посредине платформы, другое на расстоянии равном 2/3 длины желоба от торца платформы. Третье отверстие прямоугольной формы размещено большей стороной параллельно торцу платформы и симметрично относительно геометрической оси ко- лес и продольной оси симметрии платформы.

На одной стороне желоба, выполненного в виде прямоугольного уголка, имеются три отверстия диаметром, равным внешнему диаметру резьбы стоек устройства изменения наклона желоба, одно посредине и два других на расстоянии равном двум третям диаметра массивного шарообразного груза, и симметрично относительно центрального отверстия два паза, шириной равной толщине крюкообразного держателя, и длиной равной половине длины желоба без удвоенного диаметра массивного шарообразного груза.

Заявленный учебный прибор по механике в сравнении с прототипом позволяет дополнительно продемонстрировать закон сохранения механической энергии, закон сохранения импульса, упругое столкновение тел.

На фиг.1 показан общий вид прибора; на фиг.2 - то же,, вид сверху; на фиг.З - устройство изменения угла наклона желоба; на фиг.4 - устройство сцепления -и расцепления платформ; на фиг.5 - разрез А-А на фиг.4; на фиг.6 - варианты зацепления плеч рычага с зацепами.

-.

Учебный прибор по механике (см.фиг.1 и 2) содержит установленные на неподвижном основании 1 две подвижные платформы 2 (тележки), соединенные друг с другом. На первой подвижной.платформе массивный шарообразный груз 3 закреплен на верхнем конце наклонного желоба 4, наклон которого может быть изменен путем изменения места крепления на стойке 5 крюкообразно- 10 го держателя 6 и места размещения на плат- форме подставки-бруска 7, Положение платформы 2 на неподвижном основании 1 фиксируется с помощью указателя 8. Наклонные желоба 4 на платформах 2 устанав- I

15 ливаются так, чтобы второй был продолжением первого, а нижние концы желобов соприкасались с шарообразным телом 9. Это обеспечивается тем, что держатель 6 в пазу 10 стойки 5 может пово20 рачиваться вокруг оси стойки. Шарообразный груз 3 в верхней части желоба закрепляется с помощью устройства 11. В простейшем случае устройство 11 может быть выполнено в виде нити, продетой в

25 отверстия в стенках желоба.

Платформы 2 соединены между собой с помощью устройства сцепления и расцепления платформ, которое содержит закрепленный на торце первой платформы на оси

30 12 двуплечий рычаг 13 и два болтообразных зацепа 14, установленных на торце второй платформы. Для соединения платформ плечи рычага 13 должны быть введены в зацеп-, ление с зацепами 14. Одно из плеч рычага

35 13 содержит шарообразное тело 9. Если плечо рычага с шарообразным телом входит в зацепление с зацепом 14 снизу, то шарообразное тело слегка выступает над уровнем платформы 2 на высоту не более 1/4

40 диаметра шарообразного груза 9. Если плечо рычага с шарообразным грузом 9 входит в зацепление с зацепом 14 сверху, то шарообразное тело выступает над уровнем платформы на высоту не менее 3/4 диаметра

45 шарообразного груза 9. Зацепы выполнены в виде стержней с прямоугольным кольцевым выступом на конце.

Прибор работает следующим образом. При демонстрации закона сохранения поло50 жения центра масс системы тел желобы 4 на платформах 2 устанавливаются,как продолжение один другого. Подставки-бруски 7 устанавливаются на платформах 2 так, чтобы шарообразный груз 3 при перекатывании с

55 одного желоба на другой не касался шарообразного тела 9. Крюкообразный держатель б на каждой платформе закрепляется в нижнем пазу 10 стойки 5. Шарообразный груз 3 устанавливается в верхней части желоба 4 первой платформы и закрепляется с

помощью устройства 1.1. Платформы 2 устанавливают на неподвижном основании 1 так, чтобы они были параллельны его боковой стороне, а указатель 8 совпал с нулевым делением шкалы на неподвижном основании.

Учащимся предлагается определить как поведут себя платформы при освобождении шарообразного груза (проверяются знания закона сохранения центра масс), как будет (почему) перемещаться шарообразный груз (проверяются знания закона сохранения механической энергии).

Затем груз 3 освобождается, и учащиеся убеждаются в правильности или неправильности их ответов. Далее, когда груз 3 после .многочисленных колебаний установится в месте соединения желобов 4 в центре между платформами, по указателю 8 отмечают перемещение центра масс внутри модели материальной системы. Изменяя угол наклона желобов 4, задают те же вопросы учащимся и проверяют их ответы. После этого подставки-бруски 7 слегка раздвигают и устанавливают так, чтобы нижние концы желобов стыковались друг с другом через шарообразное тело 9 и шарообразный груз при перекатывании через шарообразное тело 9 выводил из зацепления с зацепами 14 рычаг 13. Учащимся предлагается определить, как изменится движение платформ 2 после того, как груз 3 при перекатывании с желоба на желоб разъединит платформы (закрепляются и уточняются знания закона сохранения центра масс). Освобождается груз 3 и проверяется правильность ответов учащихся. Затем рычаг 13 вводится в зацепление с зацепами 14 так, чтобы плечо с шарообразным грузом 9 было выше оси зацепа 14. Груз 3 устанавливается вверху желоба 4 и закрепляется с помощью устройства 11. Учащимся предлагается определить, как в этом случае будут перемещаться груз 3 и платформы 2 (проверяется знание законов взаимодействия тел,

закона сохранения импульса). Груз 3 осво- 5 бождается и проверяется правильность ответов.

При демонстрации преобразования механической энергии желобы 4 устанавливают, как один продолжение другого.

0 Подставки-бруски 7 устанавливаются на платформах 2 так, чтобы груз 3 при перекатывании с одного желоба на другой не соприкасался с шарообразным телом 9 рычага 13. Изменяя наклон желоба 4 только на пер5 вой платформе 2 и установив минимальный наклон желоба 4 на второй платформе 2, предлагают учащимся определить, как будут перемещаться платформы и какая работа будет совершаться при перемещении

0 .платформ (проверяется знание понятий энергия, работа, скорость, движение).

Таким образом, заявленный прибор имеет более широкие демонстрационные и дидактические возможности.

5 Дидактические возможности заявленного прибора расширяются еще за счет того, что форма выполнения деталей, входящих в него, позволяет реализовать на них целый спектр приборов для изучения

0 курса физики для седьмого класса по разделу механики. Так, наличие V-образного паза по ободу колеса позволяет использовать это колесо в качестве блока. Выполнение желоба в виде прямоугольного уголка с отверсти5 ями и пазами позволяет использовать его в качестве коромысла и стоек для демонстрации весов, рычага и блоков. Наличие на крю- кообразном держателе изгиба Г-образной

формы позволяет его использовать в качест- 0 ве держателя блока и крюка для поддержки груза. Стойка 5 дополнительно используется как перекладина.

Назначение: изучение движения центра масс материальной системы и других положений общей физики. Сущность изобретения: Прибор состоит из установленных на основании двух платформ с отметчиком их положения относительно основания. На платформах с возможностью изменения угла наклона установлены желобы для шарообразного груза. Для сцепления платформ используется устройство, имеющее на рычаге шарообразное тело, устанавливаемое в различные положения по отношению к стыку платформ в зависимости от задачи эксперимента - движение шарообразного груза с препятствием или без него. 5 ил.

Формула изобретения

Учебный прибор по механике, содержащий неподвижное основание, модель мате- риальной системы, состоящую из подвижной платформы, наклонного желоба и массивного шарообразного груза, устройства для удержания груза в верхней части желоба и устройства для изменения наклона желоба, указатель положения платформы относительно неподвижного основания, отличаю щ и и с я тем, что, с целью расширения демонстрационных и дидактических возможностей, прибор дополнительно содержит вторую подвижную платформу, второй наклонный желоб, второе устройство изменения наклона желоба и устройство сцепления и расцепления подвижных платформ, состоящее из двух одинаковых стержней, каждый из которых одним концом жестко соединен с торцом второй платформы, а на другом конце имеет кольцевой прямоугольный выступ, и двуплечевого рычага, установленного на оси, жестко соединенной с торцом первой платформы, при этом геометрические оси стержней и оси рычага лежат в одной плоскости, плечи рычага входят в зацепление с выступами стержней по разные стороны этой плоскости, а одно из плеч

рычага включает в себя шарообразное тело, выступающее над уровнем платформы на высоту не более одной четвертой диаметра шарообразного груза, но не менее, чем произведение высоты кольцеобразного прямоугольного , выступа на отношение расстояния от оси рычага до центра шаро, - . „ -1314%

/5 ///

8 7

ijjjjjjL4Ai4

7/WW-jl

образного тела к расстоянию от оси рычага до оси стержня при зацеплении этого плеча рычага ниже оси стержня, и не менее трех четвертых диаметра шарообразного груза при зацеплении плеча рычага выше оси стержня.

.

l

Фиг.г

ЧяГ

нГ-ч -т т- v: 7

T;,±L±rl

АТп

6F

ФигЛ

Фиг.З

A-A ftП ;j

7

;j

/

/ vgT

;

Фиг. 5

Фиг. 6