Учебный прибор по физике

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(22) Заявлено 21,0981 (21) 3353326/18-12с присоединением заявки Нов(51) М. Кп.з 0 09 В 23/06 Государственный комитет СССР но дедам изобретений и открытий(54) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ 25 Изобретение относится к учебным приборам по физике.Известен учебный прибор по физике, содержащий стержневой сердечник, на одной поверхности которого закреплен полый кронштейн с расположенным на его верхней поверхности ползуном, осветителем и фотоприемником, электрически соединенным с регистратором, и блок питания (1) .Недостатком известного устройства является невысокая эффективность обучения.Цель изобретения - повышение эффективности обучения.Поставленная цель дотигается тем, что учебный прибор по физике, содержащий стержневой сердечник с обмоткой, на одной поверхности которого 2 О закреплен полый кронштейн с располо-. женными на его верхней поверхности ползуном, осветителем и фотоприемником, электрически соединенным с регистратором, и блок питания, имеет звуковой генератор, переключатель, диод, потенциометры, дополнительную обмотку, пневмокомпрессор и пневмо привод, один конец которого сообщается с полостью кронштейна, а другой подключен к выходу пневмокомпрессора,при этом первый выход блока питания соединен с первым выходом звукового генератора и первым выводом первого потенциометра, второй вывод которого связан с одним выводом обмотки, подключенной другим выводом к второму выходу блока питания и через переключатель к второму выводу звукового генератора, который третьим выводом соединен с первым выводом второго потенциометра, который вторым выводом связан с одним из выводов дополнительной обмотки, подключенной другим выводом к аноду диода, соединенного катодом с четвертым выводом зву кового генератора.На фиг. 1 схематически изображен учебный прибор по физике; на фиг, 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг,3 кривые зависимости центробежной и ку лоновской сил от радиуса орбиты; на фиг. 4 - элементы орбит движения пол зуна; на фиг. 5 - траектории движеник ползуна при параметрическом резонансе. На фиг, 4 и 5 приняты следующие обозначения: Х, У - оси координат, а - большая полуось эллипса, Ь - малая .полуось эллипса, Р - фокальный параметр, Р, Р - фокусы эллипса,- минимальный радиус эллипса,7 - угловая скорость полэуна при изохронной ротации, я - угловая скоростьлибрации эллипсной орбиты ползуна.Учебный прибор по физике содержитжедеэный сердечник 1, на котором размещены первая 2 и вторая 3 обмотки.На верхний конец сердечника 1 надетаполая столешница 4 с бортиком 5, аполость 6 столешницы 4 соединена 10пневмоприводом 7 с пневмокомпрессором 8. Осветитель 9 установлен насердечнике 1, а фотоприемник 10 - набортике 5 и электрически соединен срегистратором 11. Железный полэун 125может двигаться по верхне плоскости13, которая снабжена многочисленнымитонкими отверстиями .14. Первый выходблока 15 питания соединен с первымвходом звукового генератора 16 и через потенциометр 17 - с входом первой обмотки 2. Второй выход блока 15питания соединен с выходом первой обмотки 2 и через переключатель 18 - свторым входом звукового генератора 2516. Первый выход генератора 16 черезпотенциометр 19 соединен с входомвторой обмотки 3. Выход второй обмотки 3 через диод 20 соединен с вторымвыходом генератора 16. На верхнейплоскости 13 столешницы 4 яркой краской нанесены концентрические окружности 21. Кроме этого, на фиг. 3-5кривая 22 обозначает изменение центробежной силы Р, от радиуса орбитыкривая 23 - изменение магнитнойкулононской силы Р от радиусакривая 24 - результирующая этих двухсил, кривая 25 - круговая орбитакривая 26 - эллиптическая орбита,27 - ось эллипса,При этом первый выход блока 15 питания соединен с перным выводом звукового генератора 16 и первымвыводом первого потенциометра 17, второйвывод которого связан с одним выводом обмотки 2, подключенной другимвыводом к второму выходу блока 15 питания и через переключатель 18 - квторому выводу звукового генератора16, который третьим выводом соединен 50с первым выводом второго потенциометра 19, который вторым выводом связанс одним из выводов дополнительной обмотки 3, подключенной другим выводомк аноду диода 20, соединенного катодом с четвертым выводом звукового генератора 16.На предлагаемом учебном приборе по физике демонстрируютизохронную ротацию тепла в поле тяготения магнит 60 ных сил Кулона и параметрический резонанс изохронной ротации,Изохронная ротация возможна н том случае, если на круговой орбите обращающееся тело удерживается другим Я1. 2 (1) где Рр - центробежная сила;и - масса ползуна; Я - радиус орбиты; телом, силой взаимного притяжения изменяющейся по обратнокнадратичномузакону от расстояния между телами.В прототипе изохронная ротация шара по плоскости параболоида обусловлена Ньютоновой силой взаимного притяжения шара и земли.В предлагаемом приборе изохроннаяротация обусловлена наличием удерживающей силы, развиваемой электромагнитом.Изохронная ротация от сил тяготения означает движение тела по круговой (эллипсной) орбите с Постояннымпериодом обращения, обусловленноеналичием сил тяготения между обращающимся телом и телом, относительнокоторого происходит движение.Изохронная ротация Земли вокругСолнца обусловлена наличием силывзаимного тяготения.Перед. демонстрацией иэохронной ратации тела оператор устанавливает всреднее положение потенциометр 17,включает осветитель 9, регистратор11, компрессор 8 и блок 15 питания всеть, при этом переключатель 18 разомкнут.Компрессор 8 начинает нагнетатьвоздух в полость б столешницы 4, который затем выходит через отверстия14 в верхней плоскости 13, в результате чего между ползуном 12 и верхней плоскостью 13 образуется воздушная подушка, обеспечивающая ползунуминимальное трение,После подготовки оператор прижимает к бортику 5 ползун 12 и энергично толкает его по кругу. В результате этого ползун обращается по кругоной орбите вокруг полюса электромагнита с собственной частотой и каждыйраз пересекает луч света, падающийот осветителя 9 на фотоприемник 10,а регистратор 11, связанный с фотоприемником 10, за каждый оборот измеряет угловую скорость ЫНа движущийся по круговой орбитерадиусом Я ползун действует центробежная сила Р 7, которая уравновешенакулоновской сЪлой Р магнитного при.Ктяжения. Кроме того, ползун обладаетмоментом количества движенияДемонстрирование изохронной ротации тела в поле тяготения магнитныхсил Кулона сводится к исследованиюуравнения:Г 7= , ПЯ1.1пп 2аРп 1 71.3(4) Р - кулоновская сила;щ - масса ползуна в абсолютныхмагнитных единицах;ш - масса электромагнита в абсо 2лютных,магнитных единицах;Й - угловая скорость;Ь - момент количества движения.Графическое решение уравнения (1) представлено на фиг. 3.На результирующей 24 имеется нотенциальная яма, наличие которой ука-о зывает на то, что данная система обладает резонансными свойствами, а ползун.12 имеет собственную частоту обращения, не зависящую от радиусаО .(Дж. Орир . Популярная физика, М.,15 1969, с. 94-95).Если момент количества движения уменьшился от значения Ь до Ь(, то угловая скорость 1 уменьшится до скорости ц) (уравнение 1.3) . Это приво- Я дит к уменьшению центробежной силы Рр (уравнение 1.1), в результате че- Л"о кулоновская сила уменьшит радиус Р орбиты (уравнение 1.2), а уменьшение радиуса,О приводит угловую ско рость к исходной резонансной бд (уравнение 1.3). Этот процесс длится до соприкосновения ползуна 12 с сердечником 1.Девиация угловой скорости собст-. 3 венной частоты обращения ползуна 63по показаниям регистрирующего д 1устройства не превышает + 10 .Собственная частота изохронной ро-З 5 тации зависит от величины магнитного поля, т.е. если оператор увеличивает ток потенциометром 17 в обмотке 2, то ползун 12 переходит на меньшую орбиту, а угловая скорость возрастает, и наоборот, при уменьшении магнитного поля ползун 12 переходит на большую орбиту,.а угловая скорость уменьшается. Это в свою очередь демонстри. рует закон сохранения момента количества движения (угловая скорость 45 отслеживается по показаниям регистратора 11, а диаметр орбит - по концентрическим окружностям 21). Для демонстрирования параметричес 50 кого резонанса изохронной ротации оператор устанавливает потенциометр 17 в среднее положение, а потенциометр 19 в нулевое положение, включает осветитель 9, регистратор 11, комп 55 рессор 8 и блок питания 15 в сеть, при этом переключатель 18 замкнут. Затем оператор прижимает к бортику 5 ползун 12 и энергично толкает его по кругу Измерив собственную частоту 6 О обращения ползуна 12 по регистратору11, оператор выставляет эту же частоту на генераторе 16 и потенциометром 19 постепенно увеличивает ток во второй обмотке 3.65 Из-за наличия диода 20 ток в обмотке пульсирует один раз за один период обращения ползуна 12 со скважностью, равной единице.Магнитные потоки от действия этих двух обмоток складываются, в результате чего один раз за период обращения ползун ближе подтягивается к сердечнику электромагнита, т.е. круговая орбита ползуна 12 (фиг. 4 , кривая 25) трансформируется в эллиптическую (кривая 26), при этом на регистраторе 11 наблюдается .набегание угловой скорости, которая тем больше, чем больше амплитуда накачки.В связи с тем, что частота накач" ки(частота тока, вь.чаваЕмого генератором 16) остается неизменной, а угловая скорость сд обращения несколько увеличилась, происходит либ- рация эллиптической орбиты, т.е.большая ось 27 элилпса начинает вращаться вокруг своего фокуса с угловой скоростью Ю 1 (фиг. 5)Демонстрируемое явление аналогично явлению раскачивание качелей (С.П. Стрелков Ведение в теорию колебаний, М., 1964, с. 172-174).Движение по эллипсу (фиг. 4, кривая 26) происходит при условии, что 1/Я 1, т.е. длина радиуса эл.ипса ,р, начало которого лежит в фокусе Р, мало изменяется по сравнению со сред- ней длиной радиуса эллипса )0, причем 2 - амплитуда укорочения радиуса Я которая равна3,п +сбэ 11 Фясоб(91+) гдес - максимальное значение радиуса эллипса; щ(п; - минимальное значение радиуса эллипса.Каждое из слагаемых данного уравнения есть уравнение эллипса в полярных координатах,где Р - фокальный параметр2(3)аЯ - эксцентриситет Ь - малая полуось эллипса;а - большая полуось эллипсав ,частота накала,Уравнение параметрического резонанса изохронной ротации имеет вид Р Р(5)1 Фес 051 (1 есОЬ(ЯО)Я-о 1+ Момент количества движения Ь поэллиптической орбите равен моментуколичества движения по круговой орби 1001155те и не зависит от амплитуды накачки,т.еостается неизменным(Ь) Момент колйчества движения вибрации5эллипса равен" либр = ф 3 пЯ пахгде 1.- момент количества движения либрации эллипса;00, - угловая скорость либрацииэллипса;п - масса ползуна 121рп, - максимальный радиус эллипса.Момент количества движения либрации эллипса Б иь зависит от амплитуды накачки.Если оператор увеличивает ток вовторой обмотке 3 потенциоМетром 19,то увеличиваются радиус эллипса),набегание угловой скорости Ы и угловая скорость либрации Ю(Эти явления наблюдатель видит порегистратору 11 и по отношению к концентрическим окружностям 21,Если оператор будет уменьшать токво второй обмотке 3, то уменьшаетсянабегание скорости Ю, эксцентриситетэллипса и скорость Ю либрации оси27 эллипса.Траектория движения ползуна 12 поповерхности 13 столешницы 4 схематически представлена на фиг. 5.Сначала ползун совершает круговые З 5движения с угловой скоростью у, апосле включения .енератора синусоидального тока круговая орбита трансформируется в эллиптическую, причемнаблюдается либрация большой оси эллипса с частотой с, при этом длинабольшОй оси эллипса и скорость еелибрации зависят от амплитуды укороченияПолный момент количества движения 45равен) полн ливр (8)Для того, чтобы убедиться, произошла ли накачка при параметрическом резонансе изохронной ротации, необходи мо разомкнуть переключатель 18, врезультате чего эллипсная орбита сразу же срывается на круговую, причемдиаметр круговой орбиты становитсябольше исходной круговой орбиты, что 55сразу видно по концентрическим окружностям 21,Параметрический резонанс возмо-.жен на частотах накачки 9 , кратнойчастоте обращения Й ползуна 12, 60-7:т и, . где и: 1,2,3,ч - (9)однако с увеличением частоты накачкиприходится увеличивать ток пульсацииво второй обмотке 3, т.е. КПД накачкиубывает с увеличением частоты. 65 Максимум максиморум параметрического резонанса наблюдается при и = 1.Параметрический резонанс возможен при соотношении. л- н (10)где Еп - энергия потерьЕи - энергия накачки.Во избежании разрушения прибора демонстрирование параметрического резонанса иэохронной ротации произнодят постепенно, плавно унеличиная ток в обмотке 3 с выдержкой по времени 1 - 2 мин после каждого прибавления тока, не допуская ударов ползуна 12 о бортик 5 и сердечник 1.При перекачке вращательного движения потенциометр 19 быстро устанавливают в нулевое положение.Дидактическая эффективность заключается в том, что с помощью учебного прибора по физике раскрывается физическая сущность существования эллиптических орбит планетарных систем и вибрации эллиптических орбит, заключающаяся в том, что ведущая плане-. та (например Солнце) один раз за период обращения ведомой планеты (Земля) притягивает ее сильнее. Тем самым ведущая планета сообщает ведомой планете дополнительную энергию, которую она теряет на совершение движения по орбите, и поэтому всегда одна из планет находится в фокусе эллипсной орбиты.Использование изобретения позволиъ. повысить эффективность обучения.формула изобретения Учебный прибор по физике, содержащий стержневой сердечник с обмоткой, на одной поверхности которого закреплен полый кронштейн с расположенными на его верхней поверхности ползуном, осветителем и фотоприемником, электрически соединенным с регистратором, и блок питания, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности обучения, он имеет звуковой генератор, переключатель, диод, потенциометры, дополнительную обмотку, пненмокомпрессор и пневмопривод один конец которого сообщается с полостью кронштейна, а другой подключенк ныходу пневмокомпрессора, при этом первый выход блока питания соединен с первым выводом звукового генератора и первым выводом первого потенциометра, второй вывод которого связан с одним выводом обмотки, подключенной другим выводом к второму выходу блока питания и через переключатель к второму выводу звукового генератора, который третьим выводом соединен с первым выводом второго потенциометра, который вторым. ныводом связан с одним из выводов дополнительной обмотки, подклкйенной другим выводом к аноду диода, соединенного катодом с четвертым выводом звукового генератора,Источники информации,принятые во внимание при экспертизь 1. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2969815/28-12.1001155фиг. 4Составитель С. Алексанов Редактор А. Ворович Техред Т,Маточка Корректор Г. Огар Заказ 1403/59Тираж 486 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и Открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4