Учебное пособие

6 09 В 23/06 б 09 В 23/22 Гееудауствелый камнтет СССР ае делам лзааретений и вткриткй(54) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 1Изобретение относится к учебным пособиям и может быть использовано дпядемонстрации кинематических эффектовтеории относительности,Известно учебное пособие, содержащее.модель вагона 1 .5Недостатком 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 размещенмеханически связанный с колесами вагонаблок подвижных часов, при этом блокиподвижных и неподвижных часов соединены механически с узлом шкивов;Изобретение поясняется чертежом, гдеприняты следующие обозначения; 1 - ре 20дуктор; 2 - колеса вагона; 3 и 4 - циферблаты движущихся часов; 5 - ремен-,ная передача; 6 и 7 - циферблаты неподвижных часов; 8 - неподвижный редуктор;,9 - противовес; 10 - 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 - шкив; 22 - ролик,Блок неподвижных часов содержит циферблаты неподвижных часов 6 и 7, барабан 11, ременные передачи 12 и 13,Блок подвижных часов имеет циферблаты 3 и 4 движущихся часов, ременныепередачи 5 и 17, модели 19 и 20 световых сигналов, нить 10,Узел шкивов включает неподвижныйредуктор 8, противовес 9, промежуточнуюременную передачу 14, шкив 15, маленький шкив 16, ролики 18 и 22 и шкив 21.Учебное пособие позволяет демонстрировать учащимся следующие опыты,Опыт 1, Синхронизация часов в неподвижной системе и в покоящемся вагоне,Необходимо обеспечить движение сигналовпри покоящемся вагоне, Для этого нить10 Отцепляется от вагона, наматывается на барабан 11 и закрепляется на нем. Исходное положение: пары часов в вагоне ц на кронштейне точно друг против друга, 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 устанавливаетсяодинаковое время (О ч). Можно вообразить, что установка производится лаборантами, находящимися около каждых часов (можно использовать четырех учашихся, поручив каждому свои часы).Из этого опыта видно, что для удобства настройки и демонстрации пособия следует укрепить стрелки часов так, чтобыможно было проворачивать их пальдем с р 0небольшим усилием в любое исходное положение, не вращая шкивы. Для этого наконцы осей часов надеты короткие трубочки из пластмассы, которые могут поворачиваться на Осях с небольшим усилием. Трубочки проткнуты стрелками изпроволоки. С аналогичной целью световые сигналы" можно передвигать пальнем,не двигая ременной передачи. Последняясделана из нити, на которую надеты двекороткие трубочки от изоляции - это сигналы,Опьгт заканчивается тем, что стрелкивсех часов устанавливаются в одинаковоеположение (они параллельны), Это и естьнаглядный образ синхронизированных часов,Опыт 2. Доказательство непостоянства" скорости света и нарушения прин 40дина относительности. Зтот опыт - непосредственное продолжение опыта 1. В немставится задача узнать одновременно илинет достигают световые сигналы стендвижущегося вагона от его середины по45неподвижным и движущимся часам, Приэтом используются часы, уже синхронизированные в опыте 1,Исходное положение: вагон там же,стрелки всех четырех часов стоят на нуле, световые сигналы - в середине вагона.50Нить 10 прицеплена к вагону, Прилагаяк вагону силу, приводим в движение всеучебное пособие; обе пары часов и сигналы. Наблюдаем, что"свет Объективнобыстрее достигает заднюю стенку вагона,движущуюся ему навстречу, чем переднюю,которая от него убегает, Зто естественно ; скорость света относительно зад.;1ней стенки равна СЧ, а относительно передней С-Ч: факт неодноврел 1 ецностц имеет место как по покоящимся, ток и подвижущимся часам. Различие в скоростихода часов скажется, очевидно, лишь втом, что покоящиеся и движущиеся часыпокажут разное время в момент достижения светом задней стенки (то же - дляпередней стенки). Нетрудно рассчитатьэти моменты и величину неодновременНОСТИ ПО ПОКОНШИМСя 8 И ПО дВИжущИМСя9 часам.Все возможности учебного пособиястановятся понятны при описании его изготовления. Начинать постройку учебного пособия можно с подбора редуктора 1,передающего вращение колес 2 вагона,катящегося по плоскости под действиемсилы Г (от руки), к стрелкам часов 3 ввагоне 3. Зтот редуктор уже определяетосновной размер учебного пособия - длину вагона, под которой понимается, очевидно, расстояние между центрами циферблатов движущихся часов 3 и 4. Действительно, когда стрелка 3 или 4 опишетсектор, соответствующий двум часам,т.е. 1/6 круга, вагон должен переместиться на расстояние, равное своей длине.От некоторой фиксированной точки А наплоскости катим редуктор до тех пор, пока стрелка не опишет 1/6 круга. ТочкаВ, в которую придет редуктор, определитрасстояние АВ, т.е, длину вагона. Остается укрепить ось вторых движущихся часов4 на раме вагона и соединить оси часовременной передачей 5, обеспечивающейих сихронное вращение (т,е, с одинаковыми угловыми скоростями), Вагон готов.Неподвижные часы 6 и 7 укрепленынад вагоном на кронштейне, смонтированном жестко на неподвижном редукторе 8,предохраняемом от опрокидывания противовесом 9. Редуктор 8 передает движение от вагона к неподвижным часам. Дляэтой пели к вагону прикреплена нить 10,которая при его движении разматываетсяс барабана 11 и вращает его, Ременнаяпередача 12 обеспечивает вращение осичасов 6 от редуктора 8, а передача 13синхронное вращение осей часов 6, 7.Диаметры шкивов в редукторе 8 подбираются так, чтобы обеспечить вращениестрелок неподвижных часов с вдвое большей угловой скоростью, чем у движущихся,Когда вагон перемещается на расстояниеАВ, движущиеся часы должны "отмерить"2, а неподвижные - 4. Это единственноетребование к редуктору 8 позволяет легко расчитать его,С 2.161 Прншннжнт сначала, что в редуктор 8 от утстну т промежуточ.,ая ременная передача 1 , нонижвюшая угловую скорость шкива 15 но сравнению с угловой скоростью маленького шкива 13, соос ю % с барабаном 11, Представим более простую конструкцию: угловые скорости бараоана ". 1 и оси часов 6 одинаковьь для чего достаточно соединить их такой же ременной передачей, какая соединяет пару неподвижных или движущихся часов. В этом случае при перемещении вагона на1расстояние АВ = Х барабан 11 должен повернуться на 4 ч, т.е, на 1/3 окружности, откуда следует, что его диаметр 0 должен удовлетворять Х 1,Я ь или П = у х 0,955 хЪТакая конструкция допустима, но неудобна тем, что З получается слишкомГбольшим, почти равным Х . Для уменьшения редуктора следует уменьшить диаметр барабана 11 до удобного размераЦ 3, компенсировав увеличение угловой скорости барабанапонижающей" ременной передачей 14, Если передача 12. "нейтральная, т,е. соединяющая шкивы с разными диаметрами (введена для удобства конструкции), то диаметры шкивов 15 и 16 (си с 3 соответственно) должны удовлетворять Этим исчерпывается расчет редуктора 8,НВ чертеже диаметры всех шкивов и дли-.на вагона показаны с соблюдением масштаба,Масштабы длины на модели размечены так что расстояния между осями часов делятся на 10 равных частей в движу щейся системе и на 5 равных частей внеподвижной системе, Это условные единицы длины, реальная их величина неимеет значения. Деления наносятся соответственно на вагоне и на кронштейнедля неподвижных часов.Далее следует смоделировать световыесигналы, необходимые для опытов по синхронизации часов. В согласии с теориейотносительности удаленные часы в однойсистеме отсчета синхронизируются с помощью двух световых сигналов, направленных к часам одновременно из точки,равноудаленной от часов, например от середины расстояния между ними. При достижении сигналами часов на них ставится одинаковое время. Этот способ синхронизации равносилен допущению, что скорость света одинакова во всех направлениях в данной системе отсчета, Для реализации этого способа на модели при синхронизации неподвижных исов 6, 7 необходимо сделать устройство, обеспечивающее движение с одинаковой скоростью впротивоположных направлениях двух малыхтел, моделирующих световые сигналы,Проще всего осуществить это с помощьюодной ременной передачи 17, надетой наролик 18 и приводимой в движение темже редуктором 8. Действительно, ремнидвижутся в противоположных направленияхс одинаковой скоростью и остается толькоприкрепить к ним модели 19 и 20 световых сигналов,Заметим, что скорость сигналов уженельзя делать произвольной, что ясно хотябы из того, что она должна быть во всякомслучае Сольше скорости вагона (С 7 Ч ).Можно выбрать У: С= б;2- так же должнаотноситься скорость нити 10 (прицепленной к вагону) к скорости сигналов, Этообеспечивается тем, что передача 17 надета в редукторе 8 нв шкив 21, соосныйс барабаном 11 (с которого разматывается нить 10), причем диаметры их относятся как 2: Я. Ролик 22 служит дляизгиба ремня (чтобы сигналы двигалисьпараллельно), Так как сигналы не должнымешать движению вагона или заслонятьсяим, то они располагаются в другой плоскости, ближайшей к зрителю, Учебное пособие готово.Изобретени. позволит демонстрироватьучащимся кинематические эффекты теорииотносительности. формула изобретения Учебное пособие, содержащее модель вагона, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью демонстрации кинематических эффектов теории относительности, оно имеет блок неподвижных часов, узел шкивов а в модели вагона размещен механически связанный с колесами вагона блок подвижных часов, при этом блоки подвижных и неподвижных часов соединены механически с узлом шкивов,Источники информации прпнятые во внимание при экспертизе 1. Нелепин Е. А, Относительность и абсолютность. Л 1967, с. 54,892461И О УО2 УО гокаСоставитель С, АлександровРедактор А, Бер Техред А. Бабинец Корректор В. БутягаЗаказ 11262/73 Тираж 487 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Рауюская наб д. 4/5филиал ППП Патентф, г, Ужгород, ул, Проектная, 4