учебное пособие для изучения законов физики

Формула изобретения

1. Учебное пособие для изучения законов механики, характеризующееся тем, что оно содержит беговую дорожку, выполненную в виде двутаврового желоба с прозрачной передней стенкой и закрепленной на ней мерной шкалой и продольными магнитными полосками на наружной поверхности задней стенки, а внутри желоба установленную на перемычке перемещающуюся каретку с флажками, боковыми вращающимися фиксаторами и магнитными полосками на ее основании, перекинутый через шкив тросик с грузом на конце, датчики положения каретки, стартовое устройство, буфер, указатель, транспортир, при этом пособие дополнительно снабжено цифровым командно-измерительным блоком, набором грузов, выполненных различной массой, грузом, выполненным в виде пластины с отверстиями для закрепления на флажках каретки, бруском с отверстиями и крючком, отвесами, выполненными в виде закрепленных на нитях шариков различных диаметров, при этом буфер закреплен на перемычке и выполнен в виде -образной формы, на горизонтальной полке которого закреплены магнитные полоски, взаимодействующие с магнитными полосками, расположенными на перемычке, а на вертикальной полке - демпфирующий элемент, а стартовое устройство включает платформу, основание которой снабжено магнитными вставками, гнездами на лицевой стороне платформы, держателем, на котором закреплен электромагнит с сердечником, обмоткой и пружиной, кроме того, электромагнит снабжен штекерами или разъемом и гнездами для подключения к источнику питания и цифровому командно-измерительному блоку и блочным разъемам, причем для определения положения каретки используют оптоэлектрический датчик, корпус которого закреплен на плате, основание которой снабжено магнитными вставками, а корпус датчика выполнен [-образной формы с полками, на внутренних поверхностях горизонтальных полок выполнены отверстия для размещения оптических элементов-диодов, а на внешней поверхности верхней полки выполнено отверстие для размещения оптического элемента - светодиода, при этом все оптические элементы взаимодействуют с цифровым командно-измерительным блоком, платформой с успокоителем и элементами закрепления отвесов, шкивом и перекинутым через него тросом с набором грузов.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что торцы кареток снабжены металлическими уголками, причем на одном из них закреплена пружина.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что одно расстояние между двумя элементами закрепления отвесов равно диаметру большого шарика, а другое расстояние между элементами закрепления отвесов равно сумме радиусов маленького и большого шариков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к учебным пособиям и может быть использовано как демонстрационный прибор по физике в области учебно-наглядного оборудования при изучении физических законов статики и динамики.

Известно техническое решение по патенту РФ №2063064, кл. G09В 23/06, 1996 г., «Лабораторная установка по механике», содержащая две трущиеся пары, при этом коэффициент трения определяют как в состоянии покоя, так и при движении. Однако данная установка позволяет изучать только один физический показатель - коэффициент трения в динамике и статике.

Известно техническое решение по патенту РФ №2172026, кл. G09В 23/06, 1999 г., «Учебный прибор по физике», содержащий направляющие, по которым перемещаются грузы, приводимые в движение стартовыми устройствами, датчики движения грузов и световое табло, отображающее контакт грузов с датчиками. Однако данное техническое решение не в полной мере позволяет наглядно демонстрировать движение грузов при прямолинейном движении, различном наклоне направляющих и различных масс грузов.

Наиболее близким техническим решением является техническое решение по свидетельству на полезную модель №6256, кл. G09В 23/06, 1997 г. «Устройство учебно-наглядного пособия L-микро для изучения явлений механики». Данное устройство содержит беговую дорожку, выполненную в виде желоба, лицевая сторона которого выполнена прозрачной с нанесенной на ней мерной линейкой, и продольными магнитными полосками на внешней поверхности другой стороны, с помощью которых беговая дорожка крепится к магнитопроводящей поверхности. В желобе перемещается каретка с боковыми фиксаторами, грузом, флажками, магнитными полосками на ее основании и тросик, соединяющий каретку с грузом, перекинутым через шкив, пускатель каретки, буфер, датчики положения каретки.

Однако данное устройство не обеспечивает проведение всего комплекса лабораторных работ, необходимых для изучения на уроках физики в средних и высших учебных заведениях.

Технической задачей настоящего изобретения является создание такого демонстрационного устройства, которое обеспечивало бы проведение всего комплекса лабораторных работ по курсу физики, простого в изготовлении, надежного, наглядного и удобного в использовании, с автоматическим запуском работы устройства и фиксацией получаемых показателей независимо от индивидуальностей учащегося.

Поставленная задача достигается тем, что в учебном пособии для изучения характеризующемся тем, что оно содержит беговую дорожку, выполненную в виде двутаврового желоба с прозрачной передней стенкой и закрепленной на ней мерной шкалой и продольными магнитными полосками на наружной поверхности задней стенки, а внутри желоба установленную на перемычке перемещающуюся каретку с флажками, боковыми вращающимися фиксаторами и магнитными полосками на ее основании, перекинутый через шкив тросик с грузом на конце, датчики положения каретки, стартовое устройство, буфер, указатель, транспортир, при этом пособие дополнительно снабжено цифровым командно-измерительным блоком, набором грузов, выполненных различной массой, грузом выполненным в виде пластины с отверстиями для закрепления на флажках каретки, бруском с отверстиями и крючком, отвесами, выполненными в виде закрепленных на нитях шариков различных диаметров при этом буфер закреплен на перемычке и выполнен в виде -образной формы, на горизонтальной полке которого закреплены магнитные полоски, взаимодействующая с магнитными полосками, расположенными на перемычке, а на вертикальной полке - демпфирующий элемент, а стартовое устройство снабжено магнитными вставками, расположенными на наружной стороне основания, гнездами на лицевой стороне, штекерами и разъемом для подключению к цифровому командно-измерительному блоку, и электропусковым средством с пружиной, причем датчик положения каретки выполнен оптоэлектрическим в виде пластины, основание которой снабжено магнитными вставками, а на его верхней поверхности закреплен [-образный в корпус с полками, на внутренних поверхностях горизонтальных полок выполнены отверстия для размещения оптических элементов-диодов, а на внешней поверхности верхней полки выполнено отверстие для размещения оптического элемента-светодиода, при этом все оптические элементы взаимодействуют с цифровым командно-измерительным блоком, платформой с успокоителем и элементами закрепления отвесов, шкивом и перекинутым через него тросом с набором грузов, при этом основание платформы снабжено магнитными лентами, взаимодействующими с магнитопроводяей поверхностью.

Поставленная задача достигается тем, что торцы кареток снабжены металлическими уголками, причем на одном из них закреплена пружина.

Поставленная задача достигается тем, что одно расстояние между двумя элементами закрепления отвесов равно диаметру большого шарика, а другое расстояние между элементами закрепления отвесов равно сумме радиусов маленького и большого шариков.

На фиг.1 изображен общий вид учебного пособия, размещенного в упаковке, на фиг.2 - общий вид учебного пособия при проведении опытов, на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2, на фиг.4 изображена отдельно каретка, на фиг.5 - вид В на фиг.4, на фиг.6 изображено стартовое устройство, на фиг.7 - вид С на фиг.6, на фиг.8 изображен буфер, на фиг.9 изображен оптоэлектрический датчик, на фиг.10 изображена платформа с грузами, на фиг.11 - вид D на фиг.10, на фиг.12 - изображена установка беговой дорожки установленная под углом, на фиг.13 изображено устройство при столкновение двух кареток, на фиг.14, 15 изображены опыты по определению коэффициентов трения при движении тела по наклонной плоскости, на фиг.16, 17 изображены опыты при изучении колебательного движения, на фиг.18 изображены опыты при изучении законов свободного падения.

Учебное пособие для изучения законов механики содержит беговую дорожку 1, выполненную в виде двутавра, состоящего из боковых сторон 2, 3 и перемычки 4 между ними. На одной из боковых сторон 2 на наружной поверхности 5 закреплены продольные магнитные полоски 6, посредством которых беговая дорожка закрепляется к вертикальной магнитопроводящей стенке, например школьной доске (на чертеже не показано). Другая боковая сторона 3 выполнена прозрачной и на ее передней наружной поверхности 7 закреплена мерная линейка 8. Перемычка 4 также снабжена магнитными полосками 9. Внутри верхнего желоба 10 двутавра перемещается каретка 11. Каретка 11 снабжена роликами 12, являющимися одновременно ограничителями и взаимодействующими с внутренними поверхностями 13, 14 боковых сторон 2, 3 беговой дорожки 1. Ролики 12 расположены с небольшими выступами «h» относительно боковин 15, 16 каретки 11, и ролики равномерно распределены по боковинам 15, 16, в связи с чем каретка занимает горизонтальное положение, а флажки 17, закрепленные на верхней стороне 18 каретки 11, занимают вертикальное положение, при этом флажки 17 выполнены в виде круглых металлических стержней. Торцы 19, 20 каретки 11 закрыты уголками 21, 22, при этом торец 22 снабжен пружиной 23, взаимодействующей с другой кареткой при их столкновении при изучении демпфирующего удара, см. фиг.13, а при изучении неупругого столкновения на другой кареткой на ее торец закрепляют пластилин 64. Стартовое устройство 24 предназначено для запуска каретки и состоит из платформы 25, основание которой снабжено магнитными вставками 27. Платформа 25 снабжена держателем 28, на котором закреплен электромагнит 29 с сердечником 30, обмоткой 61 и пружиной 31. Электромагнит 29 снабжен штекерами 32 или разъемом 33 и гнездами 35 для подключения к источнику питания и цифровому командно-измерительному блоку 34 и блочным разъемам 35. Стартовое устройство 24, см. фиг.6, 7, снабжено разъемами 33 для соединения его с цифровым командно-измерительным блоком 34. При подключении тока к обмотке 61 возникает эффект электромагнита и каретка своим металлическим уголком 21 схватывается и удерживается сердечником 30, сжимая пружину 31, после выключения тока магнитные силы не действуют, пружина 31 разжимается и толкает каретку 11. Стартовое устройство 24 расположено в начале беговой дорожки 1 у ее торца 36, а ко второму торцу 37 беговой дорожки 1 примыкает буфер 38, выполненный угловой -образной формы. Основание 39 буфера, см. фиг.8, одной полки 40 снабжено магнитными полосками 41, а на наружной поверхности 42 другой полки 62 закреплена резина 44, воспринимающая и смягчающая удар каретки 11. Буфер 38 также закрепляется магнитными полосками 41 на перемычке 4 беговой дорожки 1 и дополнительно крепится к ней винтом 45.

При проведении опытов по изучению инерции и зависимости ускорения от массы тела каретка дополнительно нагружается грузами 46, выполненными в виде пластин с отверстиями, сквозь которые проходят флажки 17, благодаря чему грузы надежно закреплены на каретке. Для фиксирования времени прохождения каретки по беговой дорожке 1 используются оптоэлектрические датчики 47, см. фиг.9, корпус 63 которых выполнен [-образной формы и закреплен на плате 48. Основание 50 платы 48 снабжено магнитными вставками 51, посредством которых оптоэлектрические датчики 47 закрепляются на магнитопроводящей доске (на чертеже не показано) таким образом, что полки 52 и 53 датчика 47 располагаются над боковыми сторонами 2, 3, а флажки 17 каретки проходят в пространство между полками 52, 53. На внутренних поверхностях 54, 55 полок 52, 53 выполнены отверстия 56, в которые вмонтированы инфракрасные диоды 57, которые разъемом 33 взаимосвязаны с цифровым командно-измерительным блоком 34. Для фиксации скорости движения каретки в необходимой конкретной точке используют в качестве указателя этой точки стрелку 66, которую крепят к магнитопроводящей поверхности в требуемом месте.

При поведении опытов по изучению движения тела по наклонной поверхности беговая дорожка 1 устанавливается под углом, см. фиг.12, 14, а для определения угла наклона используется транспортир 59, который крепится к магнитопроводящей доске держателем 60, при этом транспортир 59 устанавливается в средней зоне беговой дорожке, причем на держателе крепится отвес в виде стального шарика 65, закрепленный на нити 69, который обеспечивает показание угла наклона беговой дорожки. Благодаря особенностям выполнения беговой дорожки и наличию необходимых элементов предложенное учебное пособие позволяет проводить опыты по исследованию движения тела по наклонной плоскости при различных условиях. Для этого беговую дорожку поворачивают, как показано на фиг.14, т.е. изучение коэффициентов трения различных материалов при различных массах, нагружая тележку дополнительными грузами 46 и используя брусок 43, см. фиг 14.

Предложенное техническое решение позволяет проводить комплекс работ, связанных с колебательным движение, законом сохранения импульсов, при этом используют либо элементы беговой дорожки, см. фиг.16, либо платформу 67, см. фиг.17, которая выполнена с элементами 70 закрепления отвесов и успокоителем 71, причем расстояния между элементами 70 коррелируются в соответствии с диаметром шариков 65, шарики висят строго вертикально, но соприкасаются друг с другом, расстояния К в одном случае между двумя элементами 70 равно диаметру большого шарика, а в другом случае расстояние М равно сумме радиусов большого и маленького шарика. Основание 72 платформы 67 также снабжено магнитными лентами 73. Данная платформа используется для изучения законов Ньютона, см. фиг.10, 11, при этом используются грузы 74, причем грузы 74 выполнены наборными из разных частей по массе, что обеспечивает возможность производить разный их набор. Особенность выполнения стартового устройства 24 позволяют без вмешательства учащихся сообщать шарикам нужный импульс движения, а конструктивное выполнение датчиков 47 положения обеспечивает точность фиксации их прохождения по времени, см. фиг.16, а датчики обеспечивают точную фиксацию прохождения его через датчик, а так как вся система связана с цифровым командно-измерительным блоком, то четко фиксируется момент пуска шарика, время его движения и момент прохождения сквозь датчик. Таким образом, благодаря особенностям конструктивного выполнения элементам устройства замеры исключают человеческий фактор, обеспечивая чистоту опыта, при выполнении лабораторных работ в школьных условиях

Использование предложенного устройства обеспечивает изучение законов свободного падения тел, для этого используют то же стартовое устройство 24, пластину 68 и датчики положения 47. Благодаря выполнению всех элементов предложенного устройства взаимосвязанными посредством электросвязи с блоком питания и последующей связи их с командно-измерительным блоком, проведение опытов осуществляется без погрешностей и влияния человеческого фактора, т.е. предложенное устройство обеспечивает чистоту проведения опытов.

Таким образом, предложенное конструктивное выполнение как всего устройства, так и его элементов позволяет проводить весь комплекс работ по изучению всех законов динамики общеобразовательных школ. Устройство просто в изготовлении, надежно при использовании учащимися на уроках и безопасно в эксплуатации, а главное, обеспечивает наглядность проведения опытов.