Учебный прибор по физике в.а.чернышева

 

Изобретение относится к учебным приборам и позволяет при демонстрации законов колебательного движения исследовать влияние момента инерции на размах колебаний. К стойке 2 поУ

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

G 09 В 23/08

lgr и

% 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3864800/28-12 (22) 07.03.85 (46) 30.11.86. Бюп. Р 44 (72) В.А.Черньнпев (53) 535.08 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 960908, кл. G 09 В 23/08, 13.12.79. г.З0 » 1 73976 А 1 (54) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ

В,А.ЧЕРНЫШЕВА (57) Изобретение относится к учебным приборам и позволяет при демонстрации законов колебательного движения . исследовать влияние момента инерции на размах колебаний. К стойке 2 по12739 средством опор вращения 4 прикреплены две параллельные оси качаний 5 и 11, каждая из которых несет на одном конце инерционную массу. Одна инерционная масса 15 с осью качаний

5 представляет собой собственно маятник, а другая совместно с торсионом 8 - средство для изменения момента инерции. Торсионы 8 и 12 связаны с осями качаний, а каждая инерционная масса состоит из фланца 17 и сменного груза 18. Прибор имеет фик76 саторы 24 для стопорения инерционных масс. Демонстрацию осуществляют в различных режимах: при разных величинах грузов, разных усилиях закрутки торсионов и при свободно вращающихся на осях 5 и 11 или эастопоренных инерционных массах. Для регистрации параметров колебаний прибор имеет шкалы 3 и 23 и стрелочные указатели

7 и 22, по которым определяют соответственно размах колебаний и угол поворота инерционной массы 16. 3 ил.

Изобретение относится к учебным приборам по физике и теоретической механике и может быть использовано, например, для наглядной демонстрации колебаний маятников с переменным моментом инерции.

Цель изобретения — повышение наглядности демонстрации путем увеличения эффективности влияния переменного момента инерции на размах колебаний.

На фиг. 1 изображен учебный прибор по физике, общий вид; на фиг. 2 вид А на Лиг. 1 (начальное положение стержня при фиксированном начальном угле относительно стойки); на фиг.3— то же, при отклонении относительно стойки на фиксированный начальный угол стержня.

Учебный прибор по физике содержит установленную на неподвижном основании 1 стойку 2 со шкалой 3 отсчета размаха колебаний, маятник, состоящий из связанной со стойкой 2 посредством опор вращения 4 оси качаний 5 с неподвижно закрепленным на ней вертикальным стержнем 6, имеющим стрелочный указатель 7, и маятниковой инерционной массы, и средство для изменения момента инерции маятника, состоящее иэ дополнительной инерционной массы и торсиона 8 с втулками 9 и 10 на концах.

Учебный прибор имеет также расположенную параллельно оси качания 5 и связанную с нижней частью вертикального стержня 6 дополнитепьную ось качаний 11, соединенную одним концом с одной из втулок 9 торсиона

8, вторая втулка 10 которого соединена с вертикальным стержнем 6.

Учебный прибор имеет дополнительный торсион 12 с втулками 13 и

14. Втулка 14 закреплена на стойке

2, а втулка 13 связана с одним концом оси качаний 5, при этом каждая

10 инерционная масса 15 и 16 состоит из закрепленного на свободном конце каждой из осей качаний 5 и 11 фланца 17 и связанного с фланцем 17 сменного груза 18. На стойке 2, вертикальном стержне 6 и связанном с дополнительной осью качаний li фланце

17 установлены штыри 19 для крепления пересжигаемой нити 20 и 21,при.чем фланец 17, связанный с дополни20 тельной осью качаний 11, имеет стрелочный указатель 22, а вертикальный стержень 6 — шкалу 23 отсчета угла поворота инерционной массы 16. Для фиксации фланцев 17 со сменными rpy25 зами 18 в процессе работы с прибором на вертикальном стержне 6 установлены стопорные винты 24, Устройство в зависимости от задаваемых начальных условий работает

30 следующим образом.

Пример 1 ° Задается начальное нулевое угловое положение 9 =0 инерционной массы 16 относительно верти35 кального стержня 6 и ненулевое начальное положение у 0 вертикального стержня 6 относительно неподвижной стойки 2, которое фиксируется

20 ния.

40 л

+ — -Я =О

„дг

d29

dt2.+ -L- sin q ) = 0, где (f

m I

3 l 2739 путем связывания штырей 19 пережигаемой нитью 20 (фиг. 2).

После пережигания пережигаемой нити 20 вертикальный стержень 6 начинает совершать угловое переносное движение относительно неподвижной стойки 2, причем инерционная масса

16 вместе с флаицем 17 начинает со-. вершать угловое (крутильное) относительное движение относительно стерж- 10 ня б. Сумма относительного и переносного движений определяет абсолютное движение инерционной массы 16 относительно неподвижной стойки 2, которое не является нулевым. Инерционная масса 15 остается при этом неподвиж- ной относительно неподвижной стойки 2 и на колебания стержня б не оказывает в этом случае никакого влияОтносительно крутильные колебания

4--1() инерционной массы 16 приводят к тому, что момент инерции маятника предлагаемого прибор, становится существенно переменной величины. Внешним проявлением возбуждения или действия переменного момента инерции является изменение характера узловых колебаний вертикального стержня 6, наблюдаемых по шкале отсчета 3 и крутильных угловых колебаний инерционной массы 16, наблюдаемых по шкале отсчета угла поворота 23. Оба эти колебания являются связанными и опи- 35 сываются очевидной системой дифференциальных уравнений

Дг р

С,г

dt2 д 2

+ (cf + - - sing) +

+ mL2 Ьг

2g + (— о+

1 mL2 Ь2С вЂ” угол поворота стержня 6 от- 50 носительно неподвижной стойки 2; — угол поворота инерционной массы 16 относительно стержня 6; 55 — величина и главный момент инерции и инерционной массы 16;

76 4

L — расстояние между осями 5 и 11

,,ьг- постоянная кручения торсионов 8 и 12 соответственно;

g — ускорение силы тяжести; — время.

Уравнения системы (1)составлены в предположении, что стержень 6 абсолютно жесткий, а его масса и момент инерции относительно оси качаний 5 пренебрежимо малы по сравнению с подобньпчи величинами инерционной массы.

Величины массы и момента инерции фланца 17 учитывается в соответствующих параметрах (величинах) инерционной массы 16.

Система дифференциальных уравнений (1) решается перед демонстрацией при тех начальных условиях, которые затем выставляются на приборе при проведении демонстрации:

dig, . dQ

t=0 (=const =О 4,=0 — =О. э чо dt dt

Построенные теоретические графики сопоставляются затем с графиками, построенными на основе наблюдений.

Для повьппения точности эксперимента визуальные наблюдения можно дополнить киносъемкой положений стрелочных указателей 22 и 7 относительно шкал отсчета 23 и 3 через заданные интервалы времени.

Пример 2. Задается начальное нулевое угловое положение вертикального стержня б, с = О, и нулевое начальное угловое положение инерционной массы 16 относительно верти кального стержня 6, Ф О, которое фиксируется связыванием фиксирующих штырей 19 пережигаемой нитью 21 (фиг. 3).

После пережигания нити 21 инерционная масса 16 начинает совершать крутильные колебания относительно вертикального стержня 6, который начинает также совершать качания на неподвижной стойке 2.

Порядок проведения опыта такой, как в примере 1. Полученные графики колебаний вертикального стержня 6 и инерционной массы 16 сопоставляются с графиками, построенными на основе решения системы дифференциальных уравнений (1). Однако это решение должно проводиться при других, чем

12739

О.

dt (3) (2) S в первом случае, начальных данных, а именно:

t=0 ц 0 —.— - О vo const;

d4o о dt э о

Примеры 1 и 2 являются основными

1О для данного прибора.

Конструкция прибора дает, кроме того, возможности проведения целого ряда других демонстраций, которые можно проводить при различных усло!

5 виях, например: при съеме каждого торсиона 8 или 12 вместе или в отдельности; стопорении совместном или раздельном фланцев 17 со сменными грузами 18 с помощью стопорных вин20 тов 24; установке различных по величине масс и главных моментов инерции инерционных масс 15 и 16. Б качестве примера приведем несколько дополнительных опытов при снятых торсионах

8 и 12 иэ втулок 9 и t0 и, соответственно, 13 и 14.

Пример 3. Демонстрация свободных колебаний физического маятника.

Фланец 17 со сменным грузом 18 закрепляется неподвижно на вертикальном стержне 6 с помощью стопорного винта

24 ° Затем вертикальный стержень 6 отклоняется на заданный начальный угол О и фиксируется в заданном положении путем связывания фиксирующих штырей 19 пережигаемой нитью 20.

После пережигания последней вертикальный стержень 6 с неподвижно закрепленной на нем инерционной массой 16 начинает колебательные движения как физический маятник. Эти колебания описываются известным дифференциальным уравнением

45 которое решается предварительно для различных задаваемых затем в опыте

de начальных углах у ф О и при — — О.

dt

П р.и м е р 4. Демонстрация колебаний "квази"-математического.маятника.

Фланец 17 со сменным грузом 18 растормаживается путем вывинчивания стопорного винта 24. Затем вертикаль76 б ный стержень 6 выставляется в заданных начальных угловых положениях относительно неподвижной стойки 2 и фиксируется каждый раз путем связывания фиксирующих штырей 19 пережигаемой нитью 20. Колебания, которые совершает стержень после пережигания нити 20, описываются известным дифференциальным уравнением р — - + - - з1п и = О, dt . т. которое характеризует колебания маятника с периодом колебаний, отличающимся от периода колебаний, наблюдаемых в примере 3.

Пример 5. Демонстрация колебаний "квази"-математического маятника, имеющего период колебаний,равный периоду колебаний физического маятника.

Этот опыт проводится при закреплении в неподвижном положении фланца

17 со сменными грузами 18 относительно вертикального стержня 6 с помощью стопорного винта 24. Затем опыт проводится аналогично проведению опыта в примере 4. В случае равенства величины момента инерции инерционной массы 15 величине момента инерции инерционной массы 16,,наблюдаемые колебания описываются уравнением (2) и имеют период колебаний, равный периоду колебаний физического маятника в опыте примера 3.

Формула изобретения

1. Учебный прибор по физике, содержащий установленную на неподвижном основании стойку с шкалой отсчета размаха колебаний, маятник, состоящий из связанной со стойкой посредством опор вращения оси качаний с неподвижно установленным на ней вертикальным стержнем, имеющим стрелочный указатель, и маятниковой инерционной массы, и средство для изменения момента инерции маятника, состоящее из дополнительной инерционной массы и торсиона с втулками на концах, отличающийся тем, что, с целью повышения наглядности демонстрации путем увеличения эффективности влияния переменного момента инерции на размах колебаний, он имеет расположенную параллельно оси качаний

BudA

Puz. 2 и связанную с нижней частью вертикального стержня дополнительную ось качаний, соединенную одним концом с одной иэ втулок торсиона, другая втулка которого соединена с вертикальным стержнем, и дополнительный торсион с втулками, на концах. одна из которых закреплена на стойке, а другая — связана с одним из концов оси качаний, при этом каждая инерционная масса состоит иэ закреплен1273976 8 ного на свободном конце каждой из осей качаний фланца и связанного с фланцем сменного груза, а на стойке, вертикальном стержне и связанном с дополнительной осью качаний фланце установлены штыри для крепления перес жигаемой нити, причем фланец, связанный с дополнительной осью качаний, имеет стрелочный указатель, а верти1О кальный стержень — шкалу отсчета угла поворота инерционной массы.

1273976

Составитель Т.Григорян

Редактор Т.Митейко Техред Л.Олейник Корректор О.Луговая

Заказ 6481/49 Тираж 455 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãîðîä, ул.Проектная,4