Катушка обучающая
TRAINING COIL

Изобретение относится к области наглядных и учебных пособий, используемых при обучении, в частности при обучении физике.
При изучении дисциплины (предмета) физика на лекционных и практических занятиях по темам «Кинематика вращательного движения», «Связь линейных и угловых кинематических параметров», «Динамика сложного движения твердого тела», «Законы сохранения в механике», возникает потребность в наглядной, доступной для восприятия и понимания демонстрации обучающимся траектории движения произвольной точки тела, определения направлений силы трения покоя, поступательного движения, направления вращения тела, совершающего плоское движение, в зависимости от направления вектора момента силы относительно оси, проходящей через центр масс или мгновенную ось вращения тела, законов сохранения в механике, связи линейных и угловых кинематических параметров (далее характеристик) [1].
Известны демонстрационные модели для изучения вышеуказанных характеристик, в которых демонстрация траектории движения осуществляется на плоских неподвижных схемах или рисунках, которые не универсальны, для каждой ситуации необходима отдельная схема, они не показывают натурно в реальных условиях изучаемые характеристики и в схемах заложен административный, установленный преподавателем заранее, принцип действия и (или) направления движения (вращения), что обучающийся воспринимает как не натуральный процесс (действие).
Недостатком таких технических решений является то, что при их использовании в процессе обучения у обучающихся, особенно граждан иностранных государств с недостаточными знаниями русского языка, при составлении схем действия сил, моментов сил, характеристик движения возникают трудности в пространственном воображении. В этом случае обучающийся вертуально воображают процесс (действие) без возможности проверить его правильность.
Известны технические решения, в которых для изучения вращательного и плоского движения с целью универсальности в основном используют тела вращения, имеющие не один радиус вращения, которые могут совершать плоское движение на горизонтальной, вертикальной или наклонной плоскостях. Данные тела должны обеспечивать возможность демонстрации вращательного и плоского движения, свойственного деталям реальной технике, сил и максимально представлять собой физическую модель реальных деталей (элементов) механизмов (устройств), которым присущи вышеуказанные характеристики.
Недостатком таких технических решений является сложность для визуального восприятия обучающихся, малая наглядность.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является катушка с намотанной на нее нитью, которая используется для демонстрации изменения направления поступательного движения катушки в зависимости от угла приложения силы натяжения нити [2].
Недостатками данного технического решения является его малая наглядность, связанная с отсутствием визуальных научно поясняющих схем характеристик плоского и вращательного движений, а также отсутствие возможности демонстрации только вращательного движения.
Технической задачей изобретения является разработка простого и наглядного устройства, позволяющего проводить демонстрацию вышеуказанных характеристик тела, совершающего вращательное и плоское движение.
Техническим результатом изобретения является возможность индикации направления действия силы для определения физического процесса при использовании обучающей катушки.
Это достигается тем, что катушка обучающая, представляющая собой переносную катушку и прикреплённую одним концом и намотанную на неё нить, согласно изобретению снабжена основанием и осью, при этом торцы катушки и торцы основания выполнены с отверстиями, расположенными соосно, в которые вставляется ось, нить нерастяжимая, а один торец катушки выполнен с поясняющей схемой, содержащей маркировки оси вращения катушки, проходящей через её центр масс, мгновенной оси вращения, произвольной точки вращающегося тела, линии, обозначающей направление силы натяжения нити F, и разделяющей торец катушки на два сегмента, показывающих направление действия силы натяжения нити F, соответствующее направлению вращения катушки, указателей направлений вращения катушки, направлений вектора момента силы натяжения нерастяжимой нити, критического угла α.
Дополнительно катушка обучающая может содержать разноцветные маркировки.
Также второй торец катушки может быть выполнен с поясняющей схемой.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема катушки обучающей, на фиг. 2 - торец катушки с нанесенной поясняющей схемой.
R
r
r
Катушка обучающая включает в себя переносную катушку 1 с радиусами поверхностей качения  и намотки нити , на торце которой расположены поясняющие маркировки различного цвета, основание 2, выполненное из прозрачного материала, ось 3, нерастяжимую нить 4, одним концом прикрепленную, например, клеем, к поверхности катушки радиусом  и намотанную на неё (см. фиг. 1). Торцы катушки 1 и торцы основания 2 снабжены отверстиями, расположенными соосно. В эти отверстия свободно вставляется ось 3, выполненная в виде стержня, тем самым осуществляя крепление катушки 1 на основании 2. Поясняющая схема, расположенная на торце катушки 1 (см. фиг. 2), содержит поясняющие маркировки: ось вращения 5 катушки 1, проходящую через ее центр масс, мгновенную ось вращения 6, произвольную точку 7 вращающегося тела, линию 8, обозначающую направление силы натяжения нити F, и разделяющую торец катушки на два сегмента (малый и большой), показывающих направление действия силы натяжения нити F, соответствующее направлению вращения катушки 1, указатели направлений вращения 9 и 10 катушки 1, направлений вектора момента силы натяжения 11 и 12 нерастяжимой нити 4, критический угол α. Поясняющие маркировки могут располагаться на одном торце катушки 1 или на обоих ее торцах, выполняются различными цветами, обеспечивающими наглядность демонстрации вышеуказанных характеристик, их научное пояснение, как в отдельности каждое, так и одновременно нескольких. Поясняющие маркировки, например, могут быть нанесены краской или приклеены на торец катушки.
Катушка обучающая работает следующим образом.
Нерастяжимая нить 4 обеспечивает свою свободную намотку и смотку с катушки 1. Например, для демонстрации направления вращения катушки 1, совершающей плоское движение, в зависимости от направления вектора момента силы натяжения нити относительно оси, проходящей через мгновенную ось вращения тела, устанавливают катушку 1 с поверхностью вращения радиусом R на горизонтальную поверхность (лабораторный стол) так чтобы схема, размещенная на торце катушки 1, была обращена к обучающимся, марка мгновенной оси вращения 6 касалась горизонтальной поверхности. Рукой берут за свободный конец нерастяжимой нити 4, нить 4 должна касаться поверхности вращения r ниже оси вращения 5 катушки 1, проходящей через ее центр масс, тянут за конец нити 4, обеспечив направление силы натяжения F нити 4 в малом сегменте, и наблюдают, что катушка 1 вращается в сторону приложения силы. Далее, тянут за нить 4, обеспечив направление силы натяжения F нити 4 в большом сегменте, и наблюдаем, что катушка 4 вращается в сторону обратную приложения силы. Преподаватель с использованием поясняющих маркировок дает научное объяснение по поводу направления вектора момента силы натяжения нити 4 относительно мгновенной оси вращения 6 и далее формулирует задачу для решения по определению критического угла α.
Критический угол α направления силы натяжения нити относительно горизонтальной плоскости определяется по зависимости (1):
Для демонстрации характеристик только вращательного движения катушку 1 устанавливают на основание 2 с помощью оси 3, что позволяет катушке 1 вращаться только вокруг оси вращения 5, проходящей через ее центр масс.
С использованием катушки 1 демонстрируют обучающимся траекторию движения произвольной точки тела, определение направления силы трения покоя, поступательное движение, направление вращения тела, совершающего плоское движение в зависимости от направления вектора момента силы относительно оси, проходящей через центр масс или мгновенную ось вращения тела, связь линейных и угловых кинематических параметров, законов сохранения в механике, тем самым активизируют познавательную деятельность обучающихся.
Использование изобретения обеспечивает высокую степень наглядности, а также демонстрацию отдельно вращательного и плоского движения, позволяя при этом активизировать познавательную деятельность обучающихся.
Используемые источники:
1. Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие. - М.: Издательский центр «Академия», 2015. - 560 с.
2. YouTube. (2016, октябрь 17). Телепрограмма «Галелео». Выпуск №379 от 18.06.2009: Галилео. Эксперимент. Катушка - Февраль 2022 [Видео файл]. Взято из https://vandex.ru/video/preview/7text=гaлилeo%20видeo%20кaтyшкa&path=wizard&parent-reqid-1645372478275757-5060039608567287190-vlal-2251-vla-17-balancer-8080-BAL-2476&wiz_type=vital&filmId=2454315658839284294.