Учебное пособие Советский патент 1981 года по МПК G09B23/06 

(54) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

I

Изобретение относится к учебным пособиям и может быть использовано для Демонстрации кинематических теории относительности.

. Известно учебное пособие, содержащее, модель вагона .

Недостатком его является невозможность демонстрации кинематических эффектов теории относительности.

Цель изобретения - демонстрация кинематических эффектов теории относительности.

Это достигается тем, что учебное пособие имеет блок неподвижных часов, узел шкивов, а в модели вагона размещен механически связанный с колесами вагона блок подвюкярых часов, при этом блоки подвижных и неподвижных часов соеш1нены механически с узлом шкивов.

Изобретение поясняется чертежом, где приняты следующие обозначения: 1 - редуктор; 2 - Колеса вагона; 3 и 4 - цифербдаты движущихся часов; 5 - ремен-, ная передача; 6 и 7 - циферблаты неподвижных часов; 8 - неподвижный редуктор;. 9 - противовес; Ю - нить; 11 - барабан; 12 и 13 ременные передачи; 14 промежуточная ременная передача; 15 .шкив; 16 - маленький шкив; 18 - ролик; 19 и 20 - модели световых сигналов; 21 - шккв; 22 - ролик.

Блок неподвижных часов содержит циферблаты неподвижных часов 6 и 7, барабан 11, ременные передачи 12 и 13.

10

Блок подвижных часов имеет циферблаты 3 и 4 движущихся часов, ременные передачи 5 и 17, модели 19 и 20 световых сигналов, нить 1О.

Узел шкивов включает неподвижный

15 редуктор 8, противовес 9, промежуточную ременную передачу 14, шкив 15, маленький шкив 16, ролики 18 и 22 и шкив 21.

Учебное пособие позволяет демонстрировать учащимся следующие опыты.

20

Опыт 1. Синхронизация часов в неподвижной системе и в покоящемся вагоне. Необходимо обеспечить движение сигналов при покоящемся вагоне. Для этого нить 3 10 отц(1шяется от вагона, наматывается на барабан 11 и закрепляется на нем. Исходное положение : пары часов в вагоне и на кронштейне точно друг против , стрелки стоят вразброд, световые сигналы - точно посередине вагона. Вращая за рукоятку шкив 21, приводим в движение световые сигналы (т.е. зажигаем лампочку в середине вагона). Уславливаемся, что в момент достижения сигналами часов на них ус-танавливается ошшаковое время (О ч). Можно вообразить, что установка производится лаборантами, находящимися около каждых часов (можно испошэзовать четырех уча- шкхся, поручив каждому свои часы). Из этого опыта видно, что для удобст ва настройки и демонстрации пособия сле дует укрепить стрелки часов так, чтобы можно было проворачивать их пальцем с небольшим усилием в любое исходное положение, не вращая шкивы. Для этого на концы осей часов надеты короткие трубочки из пластмассы, которые могут поворачиваться на осях с небольшим уси- лием. Трубочки проткнуты стрелками из проволоки, с аналогичной целью световые сигналы можно передвигать пальцем не двигая ременной передачи. Последняя сделана из нити, на которую надеты две короткие трубочки от изоляции - это сиг налы. Опыт заканчивается тем, что стрелки всех часов устанашгиваются в одинаковое положение (они параллельны). Это и ест наглядный образ синхронизированных часов. Опыт 2, Доказательство непостоянст ва скорости света и нарушения прин ципа относительности. Этот опыт - непосредственное продолжение опыта 1, В не ставится задача узнать одновременно или нет достигают световые сигналы стен движущегося вагона от его середины по неподвижным и движущимся часам. При этом используются часы, уже синхронизи рованные в опыте 1. Исходное положение : вагон там же, стрелки всех четырех часов стоят на нуле, световые сигналы - в середине вагон Нить 1О прицеплена к вагону. Прилагая к вагону силур, приводим в движение вс учебное пособие : обе пары часов и сигналы. Наблюдаем, объективно быстрее достигает заднюю стенку вагона движущуюся ему навстречу, чем передню которая от него убегает. Это естественно : скорость света относительно зад 14 ней стенки равна CvV, а относил глглю передней . Факт неодновремеиности имо ет место как по покоящимся, ток и по движущимся часам. Различие в скорости хода часов скажется, очевидио, лишь в том, что покоящиеся и движущиеся часы покажут разное время в момент достижения светом задней стенки (то же - для передней стенки). Нетрудно рассчитать эти моменты и величину неодновременности по Покоящимся и по движущимся S часам. Все возможности учебного пособия становятся понятны при описании его изготовления. Начинать постройку учебного пособия можно с подбора редуктора 1, передающего вращение колес 2 вагона, катяи1егося по плоскости под действием силы F (от руки), к стрелкам часов 3 в вагоне 3. Этот редуктор уже определяет основной размер учебного пособия - длину вагона, под которой понимается, очевидно, расстояние между центрами циферблатов движущихся часов 3 и 4. Действительно, когда стрелка 3 или 4 опишет сектор, соответствующий двум часам, т.е. 1/6 круга, вагон должен переместиться на расстояние, равное своей длине. От некоторой фиксированной точки А на плоскости катим редуктор до тех пор, пока стрелка не опишет 1/6 круга. Точка В, в которую придет редуктор, определит расстояние АВ, т.е. длину вагона. Остается укрепить ось вторых движущихся часов 4 на раме вагона и соединить оси часов ременной передачей 5, обеспечивающей их сихронное вращение (т.е. с одинаковыми угловыми скоростями). Вагон готов. Неподвижные часы 6 и 7 укреплены над вагоном на кронштейне, смонтированном жестко на неподвижном редукторе 8, предохраняемом от опрокидывания противовесом 9. Редуктор 8 передает движение от вагюна к неподвижным часам. Для этой пели к вагону прикреплена нить 10, которая при его движении разматывается с барабана 11 и вращает его. Ременная передача 12 обеспечивает вращение оси часов 6 от редуктора 8, а передача 13 - синхронное вращение осей часов 6, 7. Диаметры шкивов в редукторе 8 подбираются так, чтобы обеспечить вращение стрелок неподвижных часов с вдвое большей угловой скоростью, чем у движущихся. Когда вагон перемещается на расстояние АВ, движущиеся часы должны отмерить 2, а неподвижные - 4. Это единственное требование к редуктору 8 позволяет расчитать его.

5А

i ))Жим сначаля, что и родукт-ор 8 штутст11у|.Т и 1омежуточ.,ая рпмоиная исрсдача 1}, )к)иижаю)иая углсшую скорость шкива 1 Я по сравнению с угловой скоростью малоиького шкива 13, соосю с барабаном 11. Прядставим более простую конструкцию : угловые скорости барабана 11 и оси часов 6 ош{наковы, дпя чего достаточно соединить их такой же ременной передачей, какая соединяет пару неподвижных или движущихся часов. В этом случае при перемещении вагона на расстояние АВ X барабан 11 должен повернуться на 4 ч, т.е. на 1/3 окружности, откуда следует, что его диаметр D должен удовлетворять

X

i

П5

5

D |x. 0,955л

Такая конструкция допустима, но неудобна тем, что D получается слишком большим, почти равным X уменьшения редуктора следует уменьшить диаметр барабана 11 до удобного размера (3 (d D}. компенсировав увеличеше угловой скорости барабана понижающей ременной передачей 14. Если передача 12 нейтральная, т.е. соединяющая щкивы с разными диаметрами (введена даш удоб ства конструкции), то диаметры шкивов 15 и 16 (d и d2соответственно) должны удовлетворять

D.d5 ,

d da

Этим исчерпывается расчет редуктора 8. На чертеже диаметры всех шкивов и длина вагона показаны с соблюдением масштаба.

Масштабы длины на модели размечены так, что расстояния между осями часов делятся на 10 равных частей в движщейся системе и на 5 рав1дых частей в неподвижной системе. Это условные единицы длины, реальная их величтаа не имеет значения. Деления наносятся соответственно на вагоне и на кро1Ш1тейне для неподвижных часов.

Далее следует смоделировать световы сигналы, необходимые для опытов по синхронизации часов. В согласии с теорией относительности удаленные часы в одной системе отсчета синхронизируются с помощью двух световых сигналов, направленных к часам одновременно из точки, рав1тоудале1шой ОТ часов, например от се10J6

ре.-цп11ы расстояния между ними. При достиже11ии сигналами часов на них ставится одинаковое время. Этот способ синхронизации равносилен допущению, что скоJ рость света одинакова во всех направлениях в данной системе отсчета. Для реализации этого способа на модели при синхронизации неподвижных часов 6, 7 необходимо сделать устройство, обеспечиваюОщее движение с одинаковой скоростью в . противоположных направлениях двух малых теп, моде1ирующих световые сигналы. Проще всего осуществить это с помощью одной ременной передачи 17, надетой на

ролик 18 и приводимой в движение тем же редуктором 8. Действительно, ремни движутся в противоположных направлениях с одинаковой скоростью и остается только прикрепить к ним модели 19 и 20 свето0 вых сигналов.

Заметим, что скорость сигналов уже нельзя делать произвольной, что ясно хотя бы из того, что она долхша быть во всяком случае Сольше скорости вагона (C7V).

Можно выбрать .2- так же должна относиться скорость нити 1О (прицепленной к вагону) к скорости сигналов. Это обеспечивается тем, что передача 17 надета в редукторе 8 на шкив 21, соосный

0 с барабаном 11 (с которого разматывается нить 10), причем диаметры их относятся как 2: тГэ- Ролик 22 служит для изгиба ремня (чтобы сигналы двигались параллельно). Так как сигналы не должны

5 мешать движению вагона или заслоняться им, то они располагаются в другой плоскости, ближайшей к зрителю. Учебное пособие готово.

Изобретение позволит демонстрировать

0 учащимся Кинематические эффекты тео|эии относительности.

Формула изобретения

Учебное пособие, содержащее модель вагона, отличающееся тем, что, с целью демонстрации кинематических эффектов теории относительности, оно имеет блок неподвижных часов, узел щкивов, а в модели вагона размешен механически связанный с колесами вагона блок подвижных часов, при этом блоки подвижных и неподвижных часов соединены механически с узлом шкивов.

Источники -информации принятые во внимание при экспертизе

1. Нелепин Е. А. Относительность и абсолютность. Л., 1967, с. 54. П к 10 / II Ь 22 / 2 3 W 20 5 I It