Учебное пособие по механике

(59 б 09 В 23 06 г РЕТ ЕЛЬСТВ УДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЮ ОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМ)Г СВ(56) 1. Авторское свидетельство СССРФ 896670, кл. б 09 В 23/08, 1980.(54)(57) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО МЕХАНИКЕ, содержащее подвижную механическую систему с постоянным магнитомпосредством тяги соединенную с сердечником электромагнита, датчик частоты, триггер, регулятор амплитуды,подсоединенный к обмотке электромагнита, ключи управления, регистратор и блок питания, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения дидактических возможностей,оно снабжено генератором пилообразного напряжения и вторым датчиком частоты, электромагнит содержит вторуюобмотку, а механическая системавключает размещенную вертикальнов подшипниках вращения трубку с прорезями, ось, противовес с тягой и инерционные массы, закрепленные на противоположных концах коромысел, при этом первый датчик частоты соединен с входом регистратора и первым входом триггера, второй датчик соединен с вторым входом триг,гера, выход которого через первый ключ соединен с управляющим входом генератора пилообразного напряжения, выходы которого подсоединены к клеммам первой обмотки электромагнита, причем первая иэ клемм второй обмотки соединена с одним из выходов генератора пилообразного напряжения и первым выходом блока питания, второй выход которого через регуляторамплитуды соединен с второй клеммой второй обмотки, при этом коромысла размещены в прорези трубки на оси и связаны посредством тяг с противовесом и средечником электромагнита, размещенных на противоположных Я концах трубки.Изобретение относится к учебнымпособиям по механике и может бытьиспользовано для демонстрации законов изохронной ротации.Известно учебное пособие по меха-,нике, содержащее подвижную механическую систему с постоянным магнитом,посредством тяги соединенную с сердечником электромагнита, датчикчастоты, триггер, регулятор амплитуды, подсоединенный к обмотке электро магйита, ключи управления, регистратор и блок питания 11.Однако известное пособие не позволяет демонстрировать законы изохронной ротации, что сужает его дидактические возможности,Целью изобретения является расшиарение дидактических возможностей.Поставленная цель достигаетсятем, что учебное пособие по механике, содержащее подвижную механическую систему с постоянным магнитом,посредством тяги соединенную с сердечником электромагнита, датчикчастоты, триггер, регулятор амплитуды, подсоединенный к обмотке электро-магнита, ключи управления, регистра-тор и блок питания, снабжено генератором пилообразного напряженияи вторым датчиком частоты, электроматЗ 0нит содержит вторую обмотку, амеханическая система включает раэмещенную вертикально в подаипниках вращения трубку с прорезями, ось, проти"вовес с тягой и инерционные массы,закрепленные на противоположныхконцах коромысел, при этом первыйдатчик частоты соединен с входом регистратора и перным входом триггера, второй соединен с вторым входом триггера, выход. которого через 40первый ключ соединен с управляющимвходом генератора пилообразногонапряжения выходы которого подсоединены к клеммам первой обмоткиэлектромагнита, причем первая из 45клемм второй обмотки соединена с одним из выходов генератора пилообразного напряжения и первым выходомблока питания, второй выход которогочерез регулятор амплитуды соединен 50с второй клеммой второй обмотки,при этом коромысла размещены в прорези трубки на оси и связаны посредством тяг с противовесом и сердечником электромагнита, размещенных напротивоположных концах, трубки.На фиг.1 изображена подвижнаямеханическая система, на фиг.2 в ,принципиальная схема учебного пособия.Учебное пособие содержит вертикальную трубку 1 с прорезями 2, установленную в подшипниках вращения 3.В прорезях 2 на оси 4 установленыкоромысла 5, на концах которых закреплены инерционные массы 6, выполненные в виде металлических шаров. 65 Коромысла 5 посредством тяг 7-10связаны с противовесом 11 и сердеч- .ником электромагнита 12, расположеннын на противоположных концах трубки 1,В трубке расположен постоянныймагнит 13, взаимодействующий с датчиками 14 и 15 частоты, выполненными в виде герконов, которые подсоединены соответственно к регистратору 16и триггеру 17, который через ключ 18подсоединен к управляющему входугенератора 19 пилообразного напряжения, Выход генератора 19 подсоединенк первой обмотке 20 электромагнита21, вторая обмотка которого 22 черезрегулятор 23 амплитуды подключена кблоку 24 питания, а через второйключ 25 подключен генератор 19 пилообразного напряжения. Для регулирования величины хода сердечника 12имеется упор 26,Учебное пособие работает следующим образом.Перед демонстрацией изохроннойротации преподаватель .устанавливаетв среднее положение регулятор 23амплитуды, включает в сеть блок 24питания и блок регистрации 1 б и вывинчивает упор 26 Мак, чтобы сердечник полностью втянулся и катушки 21, а инерционные массы б примкнулись к оси 1 вращения, при этомключи 18 и 25 разомкнуты.После подготовки преподавательнакручивает на ось 1 вращения пострелке А прочную нить ( нить не показана) и тянет ее с нарастающейскоростью, При этом инерционныемассы б занимают какую-то орбитувращения, а маятник начинает вращаться с собственной частотой,За каждый оборот маятника постоянный магнит 13 вырабатывает импульсна датчике 15, который поступает навход регистратора 16, тем самым происходит регистрация угловой скорости дНа днижущиеся по круговой орбите инерционные массы б действуетцентробежная сила, которая уравновешена кулоновской силой, развиваемой сердечником 12 от взаимодействия с магнитным полем первой обмотки 20.Для демонстрации квантового перехода энергии преподаватель устанавлинает регулятор 23 в нуленое положе-ние и устанавливает упор 26 так,чтобы сердечник 12 полностью входилн катушку 21, а инерционные массы бприжаты к оси 1 вращения, затем переводит генератор пилообразного напряжения в режим работы с подачейимпульса от руки, устанонив при этоммаксимальную длительность нарастания импульса (например 3 с) и максимальную амплитуду импульса. Послеэтого преподаватель включает регист-. ратор 16 и блок 24 питания в сеть, а затем,намотав нить на ось 1 вращения, тянет ее с нарастающей ско-, ростью.Под действием центробежной аилы массы займут максимальную орбиту.После отделения нити от маятника наблюдатель записывает показание исходной угловой скорости на регистраторе 16 и включает ключ 25, Генера тор 19 пилообразного напряжения вы-. дает в цепь второй обмотки 22 нарастающее напряжение, .вследствие чего сер". дечиик 12 плавно втягивается в катушку 21, инерционные массы б, 5 и 7 15 начинают сближатвся со скоростью укорочения радиуса Я .В момент когда инерционные массы 4,6 и 5,7 займут минимальную орбиту( массы 4,6 и 5,7 прижаты к,20 оси 1 вращения) наблюдатель записывает показание угловой скорости сд по регистрирующему устройству 16.Наблюдатель, зная исходную угло. вую скорость сд и максимальный радиус 25 орбиты, вычисляет момент количества движения маятника по известной Формуле+щьщ, инерционных масс 4, 5, би 7, 35максимальный радиус орбиты.Затем, подставив значение уиполученное значение момента количества движения в формулу, наблюдатель 40определяет при с(: еопМ значение угловой скоростиагде сд - теоретическая угловая 45скорость маятника дляминимального радиуса орбиты;Ь - момент количества движения,и" - д"ц+дф " суммарная масса инерци+гпь+т онных масс 4, 5, б и 7,У, - минимальный радиус орбиты.Сравнивая угловые скорости, и 7 аполученную опытным путем и ь 7 - 55полученную теоретическим путем, наблюдатель видит, что7 п ъ тДля демонстрации параметрического 60 резонанса изохронной ротации устанавливают упор 26 так, чтобы сердечник 12 полностью вошел в катушку 21, Устанавливают регулятор 23 в среднее положение и включают блок 24 пйтания и регистратор 16 в сеть, ключи 18 и 25 при этом разомкнуты. Затем преподаватель, намотав нить на ось 1 вращения, тянет ее с нарастающей скоростью. Определив частоту изохронной ротации на генераторе 19, устанавливают частоту следования импульсов равной этой частоте и скорость нарастания равной скорости изохронной ротации. После указанных манипуляций оператор включает ключи 18 и 25, в результате чего схема маятника переходит в режим автогенерации.Действительно, постоянный магнит 13 вырабатывает на первом датчике 14 импульс, который, поступая на первый вход триггера 17, включает его. Выработанный импульс с выхода триггера 17 поступает через ключ 18 на вход генератора 19 пилообразного на" пряжения, в результате чего происходит запуск.Когда Через полоборота второй дат-. чик 15 выработает импульсы, которые йоступят на второй вход триггера 17 и опрокинут его в исходное положение, генератор 19 отсечет нарастание .переднего фронта пилообразного, импульса.Поступающий пилообразный импульс тока с выхода генератора 19 на вход второй обмотки 22 создает на ней дополнительное магнитное поле, нарастающее со скоростью нарастания переднего фронта импульса, под действием чего сердечник 12 втягивается в катушку 21 со скоростью. нарастания переднего Фронта импульса. Втягивание магнита 13 приводит к уменьшению радиуса. ротации маятника. По окончании действия импульса массы б под действием центробежных сил увеличивают орбиту. Явление "фиолетовая катастрофа" демонстрируется сразу же после демонстрации параметрического ре зонанса. Для этого, не перестраивая схемы, увеличивается скорость нарастания фронта импульса в два раза, в результате чего происходит срыв изйхронной ротации, т.е. ротация будет- затухающей, что соответствует явлению "фиолетовая катастрофа".Применение предлагаемого изобретения позволяет наглядно раскрыть явления: "Квантовый перехОд",Дефект .закона сохранения момента количества движения" и "фиолетовая катастрофа", что существенно расширяет дидактические воэможности прибора.Ти Госудлам и осква ственног бретений Ж, Ра Подписнкомитета СССРи открытийшская наб., д.4/5