учебный прибор по физике

Формула изобретения

Учебный прибор по физике, содержащий основание, две направляющие, два груза в виде металлических шаров разного цвета с одинаковой массой, одинаковым диаметром и с одинаковым коэффициентом трения качения между шаром и направляющей, отличающийся тем, что каждая из направляющих состоит из двух трубок, при этом трубки установлены друг от друга на расстоянии, меньшем диаметра шара, и составлены из чередующихся между собой токопроводящих и нетокопроводящих участков, одна из направляющих имеет участок с конфигурацией функции Брахистохрона, плавно переходящий в горизонтальный участок, а вторая направляющая является нециклоидальной и имеет наклонный участок, плавно переходящий в горизонтальный участок, каждая из направляющих закреплена одним концом на передней кромке основания, а другим - на вертикальной стойке, которая установлена на задней кромке основания, при этом в прибор введены стартовые устройства для грузов в виде электромагнитов, которые установлены в вершинах направляющих для грузов, и световые элементы, дискретно отображающие движение грузов по направляющим, в виде электроламп, расположенные на боковой стороне основания и соединенные с соответствующим токопроводящим участком направляющих, и кнопка пуска.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к демонстрационным приборам по физике. Известно наглядное пособие по механике, содержащее шаровые грузы, подвижную тележку, установленные на ней направляющие для грузов, одна из которых выполнена в виде наклонного желоба, электромагниты, расположенные в верхней части направляющих, контакты сигнальной лампы, установленные на тележке в зоне падения грузов, штатив и две изолированные одна от другой токопроводящие планки, последовательно включенные в цепь электромагнита второй направляющей и расположенные вдоль наклонного желоба, при этом нижний конец последнего имеет горизонтальный участок, а вторая направляющая выполнена в форме цилиндрического стакана и установлена на штативе (а. с. СССР N 598113, кл. G 09 В 23/08,1978).

Недостатком данного наглядного пособия является то, что оно не обеспечивает возможность его использования при рассмотрении, например, функции Брахистохрона.

Известен учебный прибор по математике, содержащий основание с графическим изображением осей координат, горизонтальную направляющую с ползуном, соединенную с ним вертикальную направляющую с ползуном, муфту, установленную в корпусе смежную криволинейную направляющую, конфигурация которой соответствует графику заданной функции, реостат, установленный на вертикальной направляющей в зоне над и под осью X, реверсивный двигатель, закрепленный на ползуне, дополнительный ползун с пишущим штифтом, расположенный на вертикальной направляющей и соединенный гибкой тягой с реверсивным двигателем, и привод ползуна горизонтальной направляющей (а. с. N 1269178, кл. G 09 В 23/02, 1986).

Недостатком данного прибора является то, что он не обеспечивает возможность наглядной демонстрации свойств функции Брахистохрона.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для демонстрации брахисто- и таутохронных свойств циклоиды, содержащее расположенную на наклонной плите пластину, циклоидальную и нециклоидальную направляющие, два шара с одинаковыми массами, диаметром и коэффициентами трения, при этом оно имеет две дополнительные пластины, циклоидальные направляющие расположены на параллельных кромках основной и одной из дополнительных пластин, которая закреплена на основной пластине, вторая дополнительная пластина расположена между плитой и основной пластиной с возможностью поворота вокруг оси, соединяющей ее с плитой и основной пластиной, при этом нециклоидальная направляющая расположена на кромке второй дополнительной пластины, пластины имеют толщину меньше, чем диаметр шаров, а шары - различную окраску наружной поверхности (патент N 2029990, кл. G 09 В 23/06, 95).

Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает высокой наглядности демонстрации брахистохронных свойств циклоиды.

Целью изобретения является увеличение дидактических возможностей устройства.

Данная цель достигается тем, что в учебном приборе по физике, содержащем основание, две направляющие, два груза в виде металлических шаров разного цвета с одинаковой массой, одинаковым диаметром и с одинаковым коэффициентом трения качения между шаром и направляющей, каждая из направляющих состоит из двух трубок, которые установлены друг от друга на расстоянии, меньшем диаметра шара, и составлены из чередующихся между собой токопроводящих и нетокопроводящих участков, при этом одна из направляющих имеет участок с конфигурацией функции Брахистохрона, плавно переходящий в горизонтальный участок, а вторая направляющая является нециклоидальной и имеет наклонный участок, плавно переходящий в горизонтальный участок, каждая из направляющих закреплена одним концом на передней кромке основания, а другим - на вертикальной стойке, которая установлена на задней кромке основания, при этом в прибор введены стартовые устройства для грузов в виде электромагнитов, которые установлены в вершинах направляющих для грузов, и световые элементы, дискретно отображающие движение грузов по направляющим, в виде электроламп, расположенные на боковой стороне основания и соединенные с соответствующим токопроводящим участком направляющих, и кнопка пуска.

Учебный прибор по физике (фиг. 2) содержит основание 1, установленные на нем циклоидальную 2 и нециклоидальную 3 направляющие, два груза 4 в виде металлических шаров разного цвета с одинаковой массой, одинаковым диаметром и с одинаковым коэффициентом трения качения между шаром и направляющей, при этом каждая из направляющих 2 и 3 состоит из двух трубок 5, которые установлены друг от друга на расстоянии, меньшем диаметров шаров 4, каждая из которых составлена из чередующихся между собой токопроводящих 6 и нетокопроводящих 7 участков. При этом направляющая 2 имеет участок с конфигурацией функции Брахистохрона, плавно переходящий в горизонтальный участок, а вторая направляющая 3 является нециклоидальной и имеет наклонный участок (например, прямую), плавно переходящий в горизонтальный участок. Каждая из направляющих закреплена одним концом на передней кромке основания 1, а другим - на вертикальной стойке 8, которая установлена на задней кромке основания 1. При этом в учебный прибор введены стартовые устройства для грузов 4 в виде электромагнитов 9, которые установлены на вертикальной стойке 8 в вершинах направляющих 2 и 3 на одинаковом от них расстоянии, световые элементы 10, дискретно отображающие движение грузов 4 по направляющим 2 и 3, которые выполнены в виде электроламп, расположены на боковой стороне основания 1, соединены с соответствующим токопроводящим участком 6 направляющих 2 и 3 и представляют собой световые табло, кнопка пуска 11 и выключатель 12.

Электрическая часть схемы прибора (фиг. 1) включает направляющие 2 и 3, стартовые устройства для грузов 4 в виде электромагнитов 9, световые элементы 10 в виде электроламп, кнопку пуска 11 и выключатель 12 сети.

Устройство работает следующим образом. После включения выключателя 12 к электромагнитам 9 подносят соответствующие шаровые грузы 4, которые удерживаются ими на одной высоте и на одинаковом расстоянии от направляющих 2 и 3. При нажатии на кнопку пуска 11 электромагниты обесточиваются и освобожденные грузы 4 под действием силы тяжести скатываются вниз по направляющим 2 и 3. При прохождении грузами 4 первого токопроводящего участка 6 на направляющей 2 или 3 происходит замыкание контактов первой из электроламп 10, находящейся на основании 1. Таким же образом происходит замыкание следующих контактов и включение следующей из электроламп 10, что отображает движение грузов 4 по направляющим 2 и 3.

Уравнение потенциальной энергии грузов:



где m - масса груза;

h₀ - высота, с которой начинает движение груз;

v₁ - скорость движения груза по направляющей 2;

v₂ - скорость движения груза по направляющей 3,

I - момент инерции груза;

w - угловая скорость вращательного движения груза.

Оно показывает, что потенциальная энергия груза 4 за счет запаса высоты h₀ превращается в кинетическую энергию поступательного движения mv²/2 плюс кинетическую энергию вращательного движения шара 4

Световое табло состоит из двух рядов электроламп, первый из которых отображает движение груза (шара) 4 по направляющей с конфигурацией функции Брахистохрона 2, а второй - по нециклоидальной направляющей 3.

Отсюда видно, что за счет угловой скорости вращения шар 4, катящийся без скольжения по направляющей, имеющей конфигурацию функции Брахистохрона 2, достигнет конечного пункта движения раньше шара 4, катящегося по нециклоидальной направляющей. Это отображается на световом табло, расположенном на боковой стороне основания.