Учебное пособие "маятник Советский патент 1982 года по МПК G09B23/08 

(54) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ «МАЯТПИК

1

Изобретение относится к учебным пособиям по физике и может быть использовано для демонстрации колебаний математического маятника.

Известно учебное пособие «Маятник, содержаи ее блок питания, нить, подвес, ось качания, электромагнит и геркон 1.

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет демонстрировать амплитудно-фазовые характеристики автоколебательного процесса, что значительно сужает демонстрационные возможности.

Цель изобретения - повышение демонстрационных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что учебное пособие «Маятник, содержащее блок питания, нить, подвес, ось качания, электромагнит и геркон содержит датчики угловых перемещений, линейных перемещений, и экстремальных положений подвесов, электромагнитные реле, дифференцирующие ячейки, триггер, ждущие мультивибраторы, усилитель, регулятор амплитуды, ключи, двухканальный видеоконтрольный блок, электросекундомер и подпружиненный груз.

причем к пе.рвому выходу блока питания подключены первые выводы датчика линейных перемещений подвеса и электромагнита и через обмотки соответствующих реле- каждый из контактов датчика экстремальных положений подвеса, ко второму выводу блока питания подсоединены перекидной контакт датчика экстремальных положений подвеса, движок датчика угловь х перемещений подвеса, второй вывод датчика линейных перемещений подвеса и через

JJJ герконодин из выводов триггера, при

этом каждый из выводов датчика угловых перемещений подвеса соединен через дифференцирующие цепочки и замыкающие контакты каждого из реле к первому и второму входам усилителя, к третьему входу которого подключены движок датчика . линейных перемещений подвеса и первый вход видеоконтрольного блока, при этом ко второму выводу электромагнита подключены через первый ключ выход триггера, через последовательно соединенные регулятор амплитуды и второй ключ-выход усилителя, а через третий ключ - второй вход триггера и выходы ждущих мультивибраторов, приче.м вход первого мультивибратора через второй замыкающий контакт первого реле, вход второго мультивибратора, четвертый ключ и второй ,ий контакт второго реле подключен ко второму выводтивторого реле подключен ко второму выводу источника питания, при этом первый ждущий мультивибратор защунтирован пятым ключом, ко входу триггера подключен электросекундомер, а первый вывод датчика угловых перемещений подвеса, подсоединен ко второму входу видеоконтрольного блока, причем движок датчика линейных перемещений подвеса механически связан с грузом. На фиг. I показана кинематическая схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема устройства. Учебное пособие «Маятник содержит блок 1 шггания, нить 2, состоящую из соединительных нроБодов, подвес 3, состояП1,ий из электромагнита 4, на котором установлен датчик 5 линейных нере.мещений подвеса, груза 6 и пружины 7 для линиеризации перемещения груза 6, ось 8 качания, нормально разомкнутый контакт 9 (геркон), срабатывающий от .магнита 10, а также датчик 1 1 угловых перемещений подвеса. датчик 12 экстремальных положений подвеса, электромагнитные реле 13 и 14 с за.мыкающими контактами 15-18, две дифференцирующие ячейки 19 и 20, триггер 21, два ждущих мультивибратора 22 и 23, усилитель 24, регулятор амплитуды 25, пять ключей 26-30, двухканальный видеоконтрольный блок 31 и электросекундомер 32. Первый вывод блока 1 питания соединен с первым входом датчика 5 линейных перемен1ений подвеса, установленного на электро.магните 4 с первым входом э.чектро.магнита 4 и обмоток реле 13 и 14. Второй вывод соответственно обмотки первого реле 13 соединен с иервым выводом датчика 12 экстремальных положений подвеса. Второй вывод обмотки второго реле 14 соединен со вторым выводом датчика 12 экстремальиых положений подвеса, второй вывод б.юка 1 питания соединен с перекидны.м контактом датчика 12 экстремальных положений иодвеса, движком датчика II угловых перемещений подвеса, с герконом 9, со вторым вводом датчика 5 линейных перемещеНИИ иодвеса, первыми выводами контактов 15 и 16 первого 13 и второго 14 реле. Вторая клемма контакта 15 реле 13 соединена со входом ждущего мультивибратора 22, защунтированного пятым ключом 26, вторая клемма контакта 16 через четвертый ключ 27 подсоединена ко входу второго мультивибратора 23. Выходы мультивибраторов 22 и 23 соединены со вторым входом триггера 21, а через третий ключ 28 и первый 29 - с его выходом, который подключен к электросекундомеру 32. Первый вход триггера 21 подключен ко второму выводу геркона 9. Второй вывод электромагнита 4 через второй ключ 30 и регулятора 25 амплитуды подсоединен- к выходу усилителя 24. Первый вход усилителя 24 соединен с выходом датчика 5 линейных перемещений подвеса и с первым входом двухканального видеоконтрольного блока 31, второй вход усилителя 24 соединен через второй замыкающий контакт 17 второго реле 14 с выходом первой дифференцирующий ячейки 19.Вход первой дифференцирующей ячейки 19соединен со вторым выходом датчика 11 угловых перемещений подвеса, а третий вход усилителя 24 соединен через второй замыкающий контакт 18 первого реле 14 с выходом второй дифференцирующей ячейки 20.Вход второй дифференцирующей ячейки 20соединен с первым выходом датчика 11 угловых перемещений подвеса и вторым входом двухканального видеоконтрольного блока 31. Учебное пособие может работать в следующих режимах. 1. Демонстрация амплитудно-фазовых характериети-к (АФХ) при импульсном изменении длины .маятника в каждой экстремальной точке. 2.Демонстрация АФХ при укорочении длины маятника в одной экстремальной точке и удлинении в другой. 3.Демонстрация АФХ при укорочении маятника в точках .максимальных скоростей и удлинении в экстремальных точках. 4.Де.монстрация АФХ при изменении длины маятника по закону ((ujt+Sn) , где е - текущая длина маятника; е. средняя длина маятника; otj, - амплитуда укорочения маятника; w -частота собственных колебаний. Для первого режи.ма исходное положение схе.мы; ключи 27 и 28 замкнуты, 26, 29, 30 разомкнуты. При этом после отведения маятника 3 отпускания его начинается режим колебаний, при котором в экстремальных (крайних точках) происходит импульсный подъем и опускание .массы 3. Наблюдение этого режима показывает, происходит затухание колебаний (те покачки энергии за счет екачкообразных изменений длины маятника), в экстремальных точках не происходит. Во втором режиме исходное состояние схемы: ключи 26, 28 замкнуты, ключи 27, 29, 30 разомкнуты. При этом в левой экстремальной точке происходит опускание центра тяжести массы 3, а в правой поджатие.

В этом случае также происходит затухание колебаний.

В третьем режиме ключи 27 и 29 замкнуты, а ключи 26, 28, 30 разомкнуты.

В процессе наблюдения устанавливается следуюа1ая зависимость.

При небольших углах отклонения маятника колебательный процесс носит затухающий характер.

Это происходит вследствие того, что скорость изменения длины маятника (V2) значительно превосходит отношение - , т. е. Vj -, где V, - линейная скорость маятника в нижней точке.

С увеличением угла отклонения, когда выполняется соотношение V2 -, устанавливается процесс автоколебаний.

В четвертом режиме исходное состояние схемы: ключи 27 и 30 замкнуты, ключи 26, 28, 29 разомкнуты.

Работа устройства заключается в следуюшем.

Перед демонстрацией четвертого режима производят настройку схемы. Экспериментатор отводит подвес влево на угол оторому соответствует максимальная амплитуда в третьем режиме, затем, отпустив подвес 3 быстро устанавливает регулятором 25 амплитуды амплитуду укорочения маятника а, в экстремальных точках равную амплитуде укорочения в третьем режиме, отслеживая ее по первому каналу видеоконтрольного устройства 31.

После настройки производят наблюдение и демонстрирование четвертого режима. Для этого экспериментатор отводит маятник влево на угол f| соответствующий началному углу отклонения маятника в третьем режиме и переводит электросекундомер в ждущий режим, при этом магнит 10 под действием своего веса прижимает контактную пластину, на которой он установлен ко второму (правому по схеме) выходу датчика 12 экстремальных положений подвеса, 1 питания, вход датчика 12 экстремальных положений подвеса, в результате чего по создавшейся цепи второй выход блока второй выход этого же датчика, обмотка реле 14, первый выход блока 1 питания; потечет ток и реле 14 сработает, второй замыкающий контакт 17 второго реле 14 замыкается, а сигнал углового перемещения маятника, снимаемый со второго выхода датчика 11 угловых перемещений подвеса и поступающий на вход дифференцирующей ячейки 19, продифференцированный по времени, поступает через замкнутый контакт 17 на второй вход усилителя 24, с выхода усилителя 24 - на вход регулятора амплитуды 25, с выхода регулятора амплитуды 25 через замкнутый ключ 30 сигнал поступает на электромагнит 4, вследствие этого электромагнит 4 начинает поднимать груз 6.

В результате того, что в устройство введена жесткая отрицательная связь (выход

датчика 5 линейных перемещений подвеса, первый вход усилителя 24), центр тяжести подвеса 3 перемешается в строгом соответствии с законом (1).

При достижении маятником нулевой

точки () магнит 10 замыкает геркон 9, в результате чего на первый вход триггера 21 со второго выхода блока 1 питания через геркон 9 поступает напряжение, триггер 21 срабатывает и выдает запускающий импульс на вход электросекундомера

32, последний включается и начинается отсчет времени выбега маятника.

По достижении правой экстремальной точки магнит 10 под действием силы тяжести перебрасывает пластину, на которой

он укреплен, на первый вход датчика 12 экстремальных положений подвеса, цепь второго реле 14 размыкается, а первого реле 13 замыкается, в результате чего контакт 17 размыкается, а контакт 18 замыкается и сигнал углового перемещения, снимаемый с первого выхода датчика 11 угловых перемещений подвеса, поступает на вход дифференциальной ячейки 20, с выхода дифференциальной ячейки 20 продифференцированный сигнал поступает через замкнутый контакт 18 на третий вход усилителя 24, с выхода усилителя 24 через регулятор амплитуды 25 и замкнутый ключ 30 сигнал поступает на электромагнит 4, подвес 3 опускается, а маятник начинает перемешаться влево.

Предлагаемое изобретение позволяет наблюдать, что различные виды затухаюших колебаний, автоколебательные процессы и баланс фаз и амплитуд - необходимое условие возникновения автоколебательного процесса.

Формула изобретения

Учебное пособие «Маятник, содержащее блок питания, нить, подвес, ось качания, электромагнит и геркон, отличающееся тем, что, с целью повышения демонстрационных возможностей, оно содержит датчики угловых перемещений, линейных перемещений и экстремальных положений подвеса, электромагнитные реле, дифференцирующие ячейки, триггер, ждущие мультивибраторы, усилитель, регулятор амплитуды, ключи, двухканальный видеоконтрольный блок, электросекундомер и подпружиненный груз, причем к первому выводу блока питания подключены первые выводы датчика линейных перемещений подвеса и электромагнита и через обмотки соответствующих реле - каждый из контактов датчика экстремальных положений подвеса, ко второму выводу блока питания подсоединены перекидной контакт датчика экстремальных положений подвеса, движок датчика угловых перемещений подвеса, второй

вывод датчика линейных перемещений подвеса и через геркон - один из выводов триггера, при этом каждый из выводов датчика угловых перемещений подвеса соединен через дифференцирующие цепочки и замыкающие контакты каждого из реле к первому и второму входам усилителя, к третьему входу которого подключены движок датчика линейных перемещений подвеса и первый вход видеоконтрольного блока, при этом ко второму выводу электромагнита, подключены через первый ключ выход триггера, через последовательно соединенные регулятор амплитуды и второй ключ - выход усилителя, через третий ключ - второй вход триггера и выходы ждущих мультивибраторов, причем вход первого мультивиб

ратора через второй замыкающий контакт первого реле, вход второго мультивибратора, четвертый ключ и второй замыкающий контакт второго реле подключен ко второму выводу источника питания, при этом первый ждущий мультивибратор защунтирован пятым ключом, ко входу триггера подключен электросекундомер, а первый вывод датчика угловых перемещений подвеса подсоединен ко второму входу видеоконтрольного блока, причем движок датчика линейных

перемещений подвеса механически связан с грузом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Харкевич А. П. Автоколебания. М.,

1954, с. 131-323.

Составитель В. Тюркин

Редактор МЛысогороваТехред Д. БойкасКорректор С.

Заказ 11712/40ТиражЦ ЗПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП сПатент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4