Рабочее место для проведения лабораторных работ по механике к молекулярной физике

 

Изобретение относится к учебным приборам по физике и может быть использовано при изучении колебаний физического и математического маятников, момента инерции, параметров растяжения и изгиба материалов, определения вязкости жидкостей методом стокса, изучении поверхностного натяжения. Цель изобретения - повышение удобства эксплуатации и расширение эксплуатационных возможностей. Сущность изобретения: устройство состоит из вертикальной трубы со сквозными осевыми прорезями, закрепленной одним торцом в подставке с гнездами, а на другом торце имеющей кронштейн, в котором закреплены концы нитей и подвешен стержень с подвесом и перемещаемым грузом. Другие концы нитей закреплены на подставке через устройство натяжения и рычаг первого рода, содержащий шток для дискретного изменения нагрузки с помощью груза, указатель положения шкалы, закрепленной на подставке. В трубе расположен прозрачный сосуд, наполненный исследуемой жидкостью, на котором расположены скользящие кольца. Вдоль трубы расположен отвес с указателем. Подставка содержит установочный винт, а в гнездах укреплены кронштейны соответственно с капельным устройством, капиллярами и стержнем с устройствами нагрузки и отсчета и деформации изгиба. На нити укреплен стержень с нагрузками, имеющими возможность перемещаться вдоль него. 1 ил.

Изобретение относится к учебным приборам по физике и может быть использовано при выполнении лабораторных работ при изучении колебаний физического и математического маятников, момента инерции, параметров растяжения и изгиба материалов, определении вязкости жидкостей методом Стокса, изучении поверхностного натяжения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является рабочее место для лабораторного практикума, оборудованное следующими приборами: прибором для изучения колебаний физического и математического маятников, содержащим маятник из металлического шарика с крючком, подвешенным к подвесу из тонкой нити перед часами с секундным маятником. Подвес состоит из стальной призмы, укрепленной в верхней части часов ребро призмы горизонтально. На верхней площадке призмы находится стерженек с отверстием для закрепления проволоки, который может вращаться и закрепляться зажимным винтом; прибором для определения момента инерции, содержащим нить с подвешенным на ней исследуемым телом; прибором для определения модуля Юнга растяжения, содержащим нить, закрепленную одним концом на кронштейне, а на другом конце имеющую платформу для размещения грузов и отсчетное устройство величины растяжения; прибором для определения модуля Юнга изгиба, содержащим стержень, концы которого расположены на опорах, а посередине подвешена платформа для размещения нагрузочных шайб и отсчетное устройство величины прогиба; прибором для определения вязкости жидкости методом Стокса, содержащим длинный вертикальный прозрачный сосуд с исследуемой жидкостью, внизу и вверху которого расположены метки, набор шариков известной плотности, микрометр (штангенциркуль) и секундомер; прибором для определения поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель и методом капилляров, содержащим капельницу с известным диаметром выходного отверстия, набора капилляров и сосуда для сбора капель жидкости и наполнения жидкостью при определении коэффициента поверхностного натяжения с помощью капилляров (физический практикум. М., Госиздат, 1955, 635 с.).

Недостатком оборудования такого рабочего места для лабораторного практикума является неудобство эксплуатации, кроме того в известных приборах отсутствует возможность оперативного изменения исходных параметров.

Целью данного изобретения является повышение удобства эксплуатации и расширение эксплуатационных возможностей путем обеспечения оперативного изменения исходных параметров.

Поставленная цель достигается тем, что рабочее место для проведения лабораторного практикума по механике и молекулярной физике, содержащее стержень с грузом, подвешенный на призме для исследования колебаний физического и математического маятников, первую нить с исследуемым телом для определения момента инерции с помощью крутильных колебаний, вторую нить и второй стержень, закрепленные на кронштейнах с платформой для размещения грузов для определения модуля Юнга растяжения и изгиба соответственно, систему индикации, протяженный сосуд с метками, размещенный в направляющем устройстве и заполненный исследуемой жидкостью для определения вязкости методом Стокса, капельницу с регулирующим устройством и сменными капиллярами для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель и методом капилляров, выполнено в виде единой конструкции, представляющей собой вертикально установленную трубку с осевыми сквозными прорезями, служащую направляющей для сосуда с метками, размещенного внутри нее, закрепленную нижним торцом на подставке с гнездами и регулировочными элементами по горизонтали и вертикали, а на верхнем торце имеющую фигурный кронштейн для размещения нитей и стержня с грузом, вторые концы нитей закреплены на подставке, причем первая непосредственно, а вторая - через рычаг первого рода, в гнездах расположены кронштейны с закрепленными на них капельницей и капиллярами, при этом рычаг первого рода содержит шток для дискретного изменения нагрузки, а в качестве индикаторного устройства использована миллиметровая шкала и указатель расположения на рычаге первого рода, установленный с возможностью перемещения относительно шкалы, закрепленной на подставке.

Отличительные признаки данного решения не известны авторам из литературы, что свидетельствует о соответствии решения критерию "существенные отличия".

На чертеже изображен общий вид рабочего места. Оно состоит из вертикальной трубы 1 со сквозными осевыми прорезями 2, закрепленной одним торцом в подставке 3 гнездами 4, а на другом торце имеющей фигурный кронштейн 5, в котором закреплены концы нитей 6 и 7 и подвешен стержень 8 с подвесом 9 с перемещаемым грузом 10. Другие концы нитей 6 и 7 закреплены на подставке 3 через устройство 11 натяжения и рычаг 12 первого рода, содержащий шток 13 для дискретного изменения нагрузки 14 и шкалу 15 для плавного изменения нагрузки с помощью скользящего груза 16, указатель 17 положения относительно шкалы 18, закрепленной на подставке 3. В трубе 1 расположен прозрачный сосуд 19, наполненный исследуемой жидкостью, на котором расположены скользящие кольца 20. Вдоль трубы расположен отвес 21 с указателем 22 подставка содержит установочные винты 23, а в гнездах 4 установлены кронштейны 24, 25 и 26 соответственно с капельным устройством 27, капиллярами 28 и стержнем 29 с устройствами нагрузки 30 и отсчета 31, и деформации изгиба. На нить укреплен стержень 32 с нагрузками 33, имеющими возможность перемещаться вдоль него.

Перед выполнением работ с помощью регулировочных винтов 23 на подставке 3 и отвеса 21 с указателем 22 юстируется труба 1.

Лабораторные работы выполняются следующим образом.

1. Исследование физического и модели математического маятников. На призму кронштейна 5 навешивается стержень 8, выполняющий роль физического маятника, определяется период его колебаний и сопоставляется с теоретическим значением, вычисленным по формуле T_теор = 2π где l - длина стержня; g - ускорение свободного падения. Далее на стержень 8 надевается груз 9, имеющий момент инерции ml_o², где l_o - расстояние от центра масс груза до точки подвеса. Полный момент инерции физического маятника равен I = m(l² + l_o²)/3. Если l_o = l, то I = = 2ml²/3. Груз помещается на различных расстояниях до точки подвеса, определяются периоды колебаний, строится и объясняется зависимость Т = f(l_o).

Период колебаний, полученный в случае закрепления груза 9 на конце стержня 8, сравнивается с теоретическим, вычисленным по формуле для математического маятника
T = 2π
При этом имеется ввиду, что масса стержня 8 по крайней мере в 10 раз меньше массы груза. Такая система стержень-груз считается моделью математического маятника. Имеются стержни различной длины (или массы), поэтому и исходные данные при выполнении работы разные.

2. Исследование момента инерции с помощью крутильных колебаний сводится к определению максимального момента инерции нагрузок 33 и момента инерции относительно центральной радиальной оси (нити 6).

Определяется момент инерции стержня 32 без нагрузок 33 путем измерения периода его колебаний, а затем при добавлении симметрично нити 6 нагрузок 33 и вычисления по формуле
J = - 1 где m - масса стержня 33, l - длина стержня.

Полученное экспериментальное значение сравнивается с теоретическим для материальной точки I = mr², где m масса нагрузки 33, r - расстояние до нити 6.

Затем определяется момент инерции нагрузок 33 при различном их расстоянии от оси вращения строится и анализируется зависимость момента инерции I от расстояния r_о.

С помощью устройства 11 натяжения легко изменяются начальные данные. Вариации последних дополняются нагрузками различной массы.

3. Определение модуля Юнга растяжения сводится к определению деформации нити 7 под действием дискретных нагрузок 14, надеваемых на шток 13 рычага первого рода 12, или плавно изменяемой нагрузки 16, определяемой по шкале 15. Отношения плеч рычага известны, поэтому могут быть определены величины фактических деформаций нити 7 с помощью отсчетного устройства 17 и шкалы 18.

4. Модуль Юнга изгиба определяется следующим образом. На кронштейн 26 помещается исследуемый цилиндрический стержень 29, на который подвешивают устройство нагрузки 30, проходящее через стержень 31 с делениями. Дискретно изменяют количество грузов и определяют соответствующие величины деформации.

5. Для определения вязкости жидкости методом Стокса через осевое отверстие в кронштейне 5 опускают шарик известного диаметра и плотности, который попадает в исследуемую жидкость в сосуде 19. Через прорези 2 в трубе 1 фиксируют время прохождения шариком меток 20 и вычисляют коэффициент вязкости по формуле
η = где d - диаметр шарика, g - ускорение свободного падения;
ρ, ρ_o - плотность материала шарика и исследуемой жидкости;
l - расстояние между метками.

Исходные данные изменяются за счет выбора материала и размеров шарика, а также вариаций расстояния между метками 20.

6. Поверхностное натяжение жидкостей определяется методом отрыва капель и с помощью капилляров. В первом варианте в сосуд, расположенный на кронштейне 24 в одном из гнезд 4, наливают исследуемую жидкость. С помощью устройства 27 обеспечивают отрыв капель от капиллярной трубки с интервалом 0,5-1 с, затем взвешивают сосуд с известным количеством капель (вес сухого сосуда задан). Опыт повторяют для воды. Коэффициент поверхностного натяжения определяют по формуле
α = α_B где m - масса всех капель исследуемой жидкости,
m_В - масса такого же количества капель воды,
α_B - коэффициент поверхностного натяжения воды.

Во втором варианте коэффициент поверхностного натяжения определяется помощью капилляров 28, расположенных на кронштейне 25 в одном из гнезд 4.

Один из капилляров 28 известного сечения помещается в сосуд с исследуемой жидкостью, измеряется высота поднятия жидкости в капилляре, а искомое значение коэффициента вычисляют по формуле
α = ρghr/2 где ρ - плотность жидкости, r - радиус капилляра, g - ускорение свободного падения.

Исходные параметры изменяются за счет различных капилляров известного радиуса, изменения свойств жидкости - за счет поверхности активных веществ, вариаций заданий.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет обеспечить большее удобство при эксплуатации, а также оперативно и в широких пределах изменять исходные параметры.

Формула изобретения

РАБОЧЕЕ МЕСТО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО МЕХАНИКЕ К МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ, содержащее первый стержень с грузом, подвешенным на призме, для исследования колебаний физического и математического маятников, первую нить с исследуемым телом для определения момента инерции с помощью крутильных колебаний, вторую нить и второй стержень, закрепленные на кронштейнах с платформой для размещения грузов, для определения модуля Юнга растяжения и изгиба соответственно, систему индикации, протяженный сосуд с метками, закрепленный в направляющем устройстве и заполненный исследуемой жидкостью для определения вязкости методом Стокса, капельницу с регулировочными элементами и сменными капиллярами для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель и методом капилляров, отличающееся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей путем обеспечения оперативного изменения исходных параметров и повышения удобства эксплуатации, оно выполнено в виде единой конструкции, представляющей собой вертикально установленную трубу с осевыми сквозными прорезями, служащую направляющей для сосуда с метками, размещенного внутри нее, закрепленную нижним торцом на подставке с гнездами и регулировочными элементами по горизонтали и вертикали, а на верхнем торце имеющую фигурный кронштейн для размещения нитей и стержней с грузом, вторые концы нитей закреплены на подставке, причем первая непосредственно, а вторая - через рычаг первого рода, в гнездах расположены кронштейны с закрепленными на них капельницей и капиллярами, при этом рычаг первого рода содержит шток для дискретного изменения нагрузки, в качестве индикаторного устройства использована миллиметровая шкала и указатель расположения на рычаге первого рода, установленный с возможностью перемещения относительно шкалы, закрепленной на подставке.

РИСУНКИ

Рисунок 1