УЧЕБНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО МЕХАНИКЕ

Полезная модель относится к учебным и демонстрационным приборам и предназначена для выполнения лабораторных и демонстрационных работ по физике, в частности по разделу «Механика», предусмотренных программой обучения общеобразовательных школ и высших учебных заведений.
Известна установка для проведения лабораторных работ по курсу «Теория упругости и пластичности» (патент РФ №2012063, МПК G 09 B 23/06, опубл. 30.04.1994), содержащая силовую опорную раму в виде двухъярусного пространственного каркаса с опорными стойками регулируемой высоты. На верхнем ярусе каркаса установлены опорные стойки с винтовым механизмом вертикального смещения опор, позволяющие закрепить пластину, а на нижнем - измерительные приборы с удлинительными штангами. Опорная стойка представляет собой вилку, имеющую сквозные резьбовые отверстия под шпильку и крепежные болты. Для измерения прогибов пластины применяются индикаторы часового типа.
Известна лабораторная установка для демонстрации законов динамики равноускоренного движения (заявка №97121267, МПК G 09 B 23/06, опубл. 27.09.1999), состоящая из грузов с перегрузком, соединенных посредством нити перекинутой через блок, и системы отсчета равных промежутков времени, закрепленных на общей стойке, в которой новым является то, что груз, имеющий перегрузок, состоит из верхней и нижней исследуемых масс, последовательно соединенных между собой разрываемой электромагнитной связью, подсоединенной к реле времени, последовательно включенного в цепь источника питания связи, установка содержит пусковую кнопку и концевой выключатель, находящийся в стыке разделяемых масс, перемещающихся только вдоль вертикальных направляющих, в нижней части которых установлен электромагнит, а в расчетном сечении верхней части - пружинный
индикатор конечной скорости движения нижней отделяемой массы, в нижней части которого установлен контакт, разрывающий цепь питания электрического секундомера.
Известна лабораторная установка (заявка №93007409, МПК G 09 B 23/06, опубл. 10.08.1995), содержащая основание, горизонтальный брус в опорах, вертикальный стержень, охватываемый пружиной, электродвигатель, подпружиненную телескопическую стойку, пишущие устройства. Установка может быть использована во всех высших учебных заведениях.
Известна лабораторная установка по механике (патент №2063064, МПК G 09 B 23/06, опубл. 27.06.1996), предназначенная для определения коэффициента трения скольжения в режимах покоя и движения, содержащая платформу, установленную с возможностью вращения на валу редуктора и связанную с тахометром. Один из образцов выполнен в виде диска и укреплен на платформе посредством винтов, другой образец выполнен в виде пластины и установлен в оправке. Измерительное устройство представляет собой динамометр. Блок размещен на стойке, при этом трос одним концом соединен с оправкой, а другим с чашей.
Известен лабораторный модульный комплекс «Физические основы механики», разработан в ОАО «ИНТОС» и предназначен для проведения лабораторных работ по курсу «Физика», раздел «Механика» в высших учебных заведениях (рекламный листок ОАО «ИНТОС», Россия 111024, г.Москва, Авиамоторная ул. Д.50, стр.1 «ИНТОС»), принятый за ближайший аналог. Комплекс состоит из девяти установок и электронного блока для проведения лабораторного практикума фронтальным методом, используя блочно-модульную конструкцию установок, обеспечивающую их оперативную сборку (разборку). Для последовательного метода организации лабораторного практикума каждая установка комплектуется электронным блоком. Компьютерный измерительный блок допускает одновременное подключение двух датчиков физических величин. Входы предназначены для измерения напряжения и подключения датчиков температуры, давления, влажности, угловой
скорости, проводимости, датчика рН, магнитного поля, оптоэлектрических датчиков момента времени и других. Однако данный лабораторный модульный комплекс предусматривает для каждой лабораторной работы наличие отдельной установки со своим электронным блоком, что усложняет проведение лабораторных работ, обслуживание всего комплекса, кроме того, увеличиваются затраты на его приобретение школами и эксплуатацию.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание простой и универсальной установки, позволяющей на ней одной выполнять большинство фундаментальных опытов по механике.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в расширении функциональных возможностей, повышении точности и быстродействия установки.
Технический результат достигается тем, что в учебной установке для проведения лабораторных работ по механике, содержащей измерительный блок, закрепленный на штативе, и электронный блок преобразования сигналов, новым является то, что измерительный блок представляет собой устройство преобразования линейных и угловых перемещений в электрические импульсы и включает оптический прерыватель, закрепленный на одном конце вала, установленного в корпусе на штативе, на другом конце которого закреплено приспособление для связи с исследуемым объектом, при этом выходы измерительного блока подключены к входам электронного блока преобразования сигналов, выходы которого являются входами последовательного СОМ-порта ЭВМ.
Оптический прерыватель состоит из диска с радиальными прорезями по его периферии и оптической пары.
Приспособление для связи с исследуемым объектом представляет собой шкив.
Электронный блок преобразования сигналов содержит две ветви, каждая из которых включает последовательно соединенные триггер Шмита и микросхему (МС) преобразования уровня напряжения в уровень последовательного
СОМ-порта ЭВМ, при этом входами электронного блока преобразования сигналов являются выходы оптического прерывателя по сигналам о величине и направлении перемещения исследуемого объекта.
Триггер Шмита выполнен на комплементарных полевых транзисторах - металл - окисел - полупроводник (КМОП).
Микросхема преобразования уровня напряжения в уровень последовательного СОМ-порта ЭВМ выполнена на оптическом изоляторе.
Сущность полезной модели поясняется на фиг.1 - фиг.3, где:
Фиг.1 - учебная установка для проведения лабораторных работ по механике (а - вид спереди, б - вид сверху).
Фиг.2 - вид А фиг.1 (а - вид сбоку на оптический прерыватель, б - периферийная часть диска - вид Б).
Фиг.3 - функциональная схема электронного блока преобразования сигналов.
Фиг.4 - принципиальная схема электронного блока преобразования сигналов (пример конкретного выполнения).
Здесь: 1 - измерительный блок; 2 - электронный блок; 3 - штатив; 4 - корпус; 5 - вал; 6 - подшипник; 7 - оптический прерыватель; 8 - диск оптического прерывателя 7; 9 - оптическая пара; 10 - шкив; 11 - прорези; 12 - триггер Шмита; 13 - микросхема (МС).
Учебная установка для проведения лабораторных работ по механике (фиг.1) содержит штатив 3, на котором закреплены измерительный блок 1 и электронный блок преобразования сигналов 2. Измерительный блок 1 включает оптический прерыватель 7, состоящий из диска 8 с радиальными прорезями 11 по его периферии (фиг.2б) и оптической пары 9. Диск 8 закреплен на одном конце вала 5, установленного в корпусе 4 на подшипниках 6, а корпус 4 закреплен на штативе 3. На другом конце вала 5 закреплено приспособление для связи с исследуемым объектом, в частности шкив Выходы измерительного блока 1 через оптическую пару 9 подключены к входам электронного блока преобразования сигналов 2, выходы которого
являются входами последовательного СОМ-порта ЭВМ. Измерительный блок 1 представляет собой устройство преобразования линейных и угловых перемещений в электрические импульсы.
Электронный блок преобразования сигналов 2 (фиг.3) содержит две ветви, каждая из которых включает последовательно соединенные триггер Шмита 12, преобразующий сигнал с измерительного блока в цифровой сигнал и микросхему (МС) 13 преобразования уровня напряжения в уровень последовательного СОМ-порта ЭВМ, при этом входами электронного блока 2 являются выходы оптического прерывателя 7 по сигналам о величине и направлении перемещения исследуемого объекта, которыми являются: набор грузов; маятник Обербека; физический маятник; рейка с магнитными полосками; фторопластовый брусок с магнитными полосками; стальные шары; набор из двух грузов и перегруза, соединенных нерастяжимой нитью; кольцо для снятия перегруза; набор из двух упругих и одного неупругого шара.
Учебная установка способна отслеживать в динамике линейные и угловые перемещения и преобразовывать через оптический прерыватель в электрические импульсы. Работа установки основана на измерении угла поворота шкива 10 измерительного блока 1 и времени, за которое данный поворот произошел.
Оптический прерыватель 7 (фиг.2) представляет собой диск 8 с радиальными прорезями 11 по его периферии и оптическую пару 9 - ИК (инфракрасный) излучатель (VD1) и ИК фотоприемник (VD2) из двух фотодиодов (фиг.4).
При повороте шкива 10 измерительного блока 1, оптический прерыватель 7 (диск 8 с прорезями 11 - фиг.2б) пропускает или задерживает луч, который излучает ИК излучатель и принимает ИК фотоприемник (VD2). В результате этого формируется сигнал от фотоприемника (VD2) с пологим фронтом и срезом. Импульс с зашумленным, несформированным фронтом и срезом непригоден для переключения цифровых устройств. Для привязки момента переключения к определенному пороговому уровню входного импульса
используют схему триггера Шмита 12, состоящую из двухкаскадного усилителя, охваченного слабой положительной обратной связью (микросхема DD1.1 - DD1.2, DD1.4 - DD1.5) (фиг.4). Триггер Шмита 12 в данной схеме используется в качестве пороговых устройств и формирователей прямоугольных импульсов из сигналов произвольной формы, в том числе и синусоидальных. DD1.3 и DD1.6 используются в качестве усилителей. Микросхема К561ЛН1 (DD1) выполнена по КМОП технологии (на комплементарных полевых транзисторах - металл - окисел - полупроводник) и работает от напряжения +12 вольт, на логических выходах которой формируются прямоугольные импульсы размахом от 0 до +8 вольт.
Стандарт СОМ-порта ЭВМ использует несимметричные передатчики и приемники - сигнал передается относительно общего провода - схемной земли. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12...-3В. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12В. Для совместимости сигнала триггера Шмита 12 с логикой СОМ - порта ЭВМ служит преобразователь уровня напряжения (микросхема 13) выполненный на оптическом изоляторе АОТ101АС (микросхема МС DD2).
Сигналы от оптического прерывателя 7, преобразуемые электронным блоком преобразования сигналов 2 в понятные компьютеру сигналы, поступают на входы СОМ-порта ЭВМ 12 по двум каналам (OUT(1) и OUT(9) (фиг.4) и обрабатываются программно согласно заданию проводимой лабораторной работы.
При повороте вала 5 измерительного блока 1 на его выходах формируются импульсы, соответствующие открытию или закрытию оптической пары 9 (ИК инфракрасного излучателя (VD1) и ИК фотоприемника (VD2).
Диск 8 оптического прерывателя 7 имеет 90 прорезей 11, выполненных через 4 градуса, при этом возможны 4 случая: оба фотодиода фотоприемника VD2 подсвечиваются излучателем VD1; первый подсвечивается, а второй нет; второй подсвечивается, а первый нет; оба затенены. Поэтому можно отследить перемещение прерывателя в один градус, а чередование выходной
информации дает возможность определять направление перемещения, что позволяет осуществлять считывание параметров движения в ходе всего дви-жения исследуемого объекта в процессе проведения опыта.
Пример 1. Лабораторная работа «Измерение ускорения свободного паде-ния с помощью математического маятника».
В работе необходимо определить ускорение свободного падения, зная параметры математического маятника: длину нити и период колебаний. Тогда из формулы
находим
2
2
g=l4π/T
где l - длина нити;
Т - период колебаний маятника;
π=3,14 (математическая постоянная).
Длина нити l определяется прямым измерением с помощью линейки. Для определения периода колебаний математического маятника используем измерительный блок комплекта. Для чего на шкив измерительного блока подвешиваем маятник и методом отклонения на некоторый малый угол (5-7 градусов) выводим его из состояния равновесия. При этом маятник начинает совершать периодические колебания, увлекая за собой шкив измерительного блока (без проскальзывания). Движение шкива прибора, связанного, с помощью оптического прерывателя, контролируется компьютером. С помощью компьютерной программы отслеживается движение груза как справа налево, так и в обратном направлении. Время между изменениями направления движения груза в точках максимального отклонения от положения равновесия является периодом математического маятника. На основе анализа данных, снимаемых с установки, компьютер программно определяет время, равное периоду колебаний, с помощью внутреннего таймера. При этом полностью исключается субъективный фактор точности измерения времени.
Пример 2. Лабораторная работа «Измерение жесткости пружины».
Сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна его удлинению и направлена противоположно направлению перемещения частиц тела при деформации.
упр
F=-k х
х - удлинение пружины
k - коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью пружины.
-3
i
упрi
i
Согласно теории удлинение пружины будет пропорционально действующей силе, в данном случае, силе тяжести подвешиваемых грузов mg. Таким образом, для определения жесткости пружины, необходимо знать действующую силу (количество подвешиваемых грузов) и измерить удлинение пружины (х). Для определения удлинения пружины используем измерительный блок комплекта. Прибор позволяет регистрировать угловое перемещение шкива с точностью в 1 градус, что соответствует линейному перемещению (х) нити через шкив в 0.19 10 м. При увеличении массы подвешиваемого груза каждый раз, компьютер, по заложенной программе, подсчитывает удлинение пружины и коэффициент жесткости пружины: K=F/х