СПОСОБ ДЕМОНСТРАЦИИ ПРАВИЛА БУРАВЧИКА НА ЗАНЯТИЯХ ПО ФИЗИКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR DEMONSTRATION OF RIGHT-HAND AMPERE'S RULE IN PHYSICS LESSONS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (EMBODIMENTS)

Изобретения относятся к области образования и могут быть использованы для повышения наглядности изложения учебного материала при изучении важнейших для техники разделов физики - механики, электромагнетизма и оптики.
В практике проведения лекционных занятий по физике для обеспечения наглядности при изучении некоторых законов физики используют различные устройства. Например, для демонстрации закона Джоуля в дифференциальной форме пропускают ток через однородный проводник, площадь поперечного сечения которого изменяется по его длине [1]. Для демонстрации пространственных и энергетических связей элементов систем различных уровней используется учебная модель «Квантовый контур» [2]. Для демонстрации информационных полей, других физических явлений применяют различные способы и устройства, раскрытые в описаниях изобретений и полезных моделей [3, 4, 5, 6, 7] и в других описаниях.
До настоящего времени на занятиях по физике (на лекциях, практических занятиях и других учебных мероприятиях) не использовались способы и устройства, демонстрирующие правило буравчика, которое применяется для определения направления векторного произведения при изложении многих важных вопросов в различных разделах курса физики, например, в механике, электромагнетизме и оптике [8, 9, 10].
На учебных занятиях преподаватель объясняет сущность правила буравчика, используя изображения векторов, сделанные мелом или маркером на доске, либо изображения векторов на экране проекционного устройства. Согласно правилу буравчика вектор С, являющийся векторным произведением векторов А и В, С=[А,В], направлен перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы А и В, начальные точки которых совпадают, причем направление вектора С совпадает с направлением поступательного движения правого винта, расположенного перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы А и В, при вращении винта от первого вектора (А) и ко второму (В) по меньшему углу между векторами А и В.
Используемый способ объяснения правила буравчика является не очень наглядным, поэтому трудно воспринимается учащимися без использования соответствующего устройства, непосредственно демонстрирующего действие правила в реальном пространстве.
При проведении патентно-информационных исследований не было выявлено близких аналогов предлагаемого способа и устройств для его осуществления.
Задачей, решаемой предлагаемой группой изобретений, является создание способа и устройств, которые позволят наглядно демонстрировать правило буравчика, ускорить его изучение и повысить качество усвоения на занятиях по физике и другим дисциплинам, в которых применятся векторное произведение и правило буравчика.
Технический результат от использования предлагаемых изобретений заключается в ускорении изучения и повышении качества усвоения правила буравчика на занятиях по физике.
Указанный технический результат достигается тем, что демонстрацию правила осуществляют путем вращения винта с правой резьбой и вызванного этим вращением поступательного движения винта вдоль своей оси, поступательное движение винта с правой резьбой осуществляют по отношению к пластине, которая расположена перпендикулярно оси винта с правой резьбой и имеет в плане форму двух стрелок расположенных под углом друг к другу и обозначающих направления векторов, при этом направление векторного произведения векторов определяют по направлению поступательного движения винта при вращении винта по меньшему углу между стрелками, оси которых пересекаются на оси вращения винта.
Первый вариант устройства для демонстрации правила буравчика по предлагаемому способу характеризуется тем, что в качестве винта с правой резьбой использован штопор с ручкой, расположенной перпендикулярно оси штопора, штопор ввинчен в пробку от винной бутылки, на торцевой поверхности которой перпендикулярно оси вращения штопора закреплена пластина, которая имеет в плане форму двух стрелок, расположенных под углом друг к другу, при этом оси стрелок пересекаются на оси вращения штопора.
В первом варианте устройства для демонстрации правила буравчика пластина может быть выполнена из картона.
Второй вариант устройства для демонстрации правила буравчика характеризуется тем, что содержит основание, выполненное в виде плоской пластины, в центральной части которой расположена муфта, выполненная с центральной правой резьбой, в муфте установлен перпендикулярно основанию винт с правой резьбой, на поверхности плоской пластины со стороны, противоположной стороне, с которой в муфту установлен винт, расположена параллельно основанию вторая пластина, которая имеет в плане форму двух стрелок, расположенных под углом друг к другу, при этом оси стрелок пересекаются на оси вращения винта.
В устройстве для демонстрации правила буравчика по второму варианту головка винта с правой резьбой имеет отогнутую форму.
Сущность предлагаемых изобретений поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - чертеж общего вида устройства по первому варианту;
на фиг. 2 - вид на устройство по первому варианту со стороны пластины, которая имеет в плане форму двух стрелок;
на фиг. 3, 4 - чертежи общего вида примеров устройства по второму варианту;
на фиг. 5 - вид на устройство по второму варианту со стороны второй пластины, которая имеет в плане форму двух стрелок;
на фиг. 6 - конструкция второй пластины.
на фиг. 7, 8 - изображения перемножаемых векторов и соответствующие им направления поступательного движения винта относительно пластины, которая имеет в плане форму двух стрелок.
На фиг. 1-8 обозначены:
1 - штопор;
2 - резьба штопора 1;
3 - ручка штопора 1;
4 - пробка;
5 - пластина;
6 - основание;
7 - муфта;
8 - винт;
9 - резьба винта 8;
10 - вторая пластина;
11 - головка винта 8;
12 - гайка;
13 - отверстие в пластине 10.
А - вектор А;
В - вектор В.
Для осуществления предлагаемого способа устройство по первому варианту содержит штопор 1 с правой резьбой 2 и ручкой 3, расположенной перпендикулярно оси штопора 1. Штопор 1 ввинчен в пробку 4 от винной бутылки (фиг. 1). Пробка 4 изготовлена преимущественно из пробкового дерева или иного материала, используемого при изготовлении пробок. Пробка 4 имеет цилиндрическую форму или иную форму, применяемую при изготовлении пробок. На торцевой поверхности пробки 4 перпендикулярно оси штопора 1 закреплена пластина 5, которая имеет в плане форму двух стрелок, расположенных под углом друг к другу, при этом оси стрелок пересекаются на оси вращения штопора (фиг. 2).
Пластина 5 может быть изготовлена (вырезана), например, из картона или иного материала, например, пластмассы.
Пластина 5 может быть прикреплена к пробке 4 с помощью клея или с помощью кнопки.
Для осуществления предлагаемого способа устройство по второму варианту содержит основание 6, выполненное в виде плоской пластины, в центральной части которой расположена муфта 7, выполненная с центральной правой метрической резьбой. В муфте 7 установлен перпендикулярно основанию винт 8 с правой метрической резьбой 9. На поверхности плоской пластины 6 со стороны, противоположной стороне, с которой в муфту 7 установлен винт 8, расположена параллельно основанию вторая пластина 10 (фиг. 3, 4). Пластина 10 имеет в плане форму двух стрелок, расположенных под углом друг к другу, при этом оси стрелок пересекаются на оси вращения винта 8 (фиг. 5, 6).
В устройстве для демонстрации правила буравчика для удобства пользования головка 11 винта 8 имеет отогнутую форму. Для более ясного изложения сущности изобретения резьба 9 на винте 8 условно показана на фигурах 3 и 4 в увеличенном размере. Длину резьбовой части винта 8 целесообразно выбирать такой, чтобы она позволяла сделать без ограничений несколько (порядка десяти) оборотов винта 8 в обе стороны без полного выкручивания винта 8 из пластины 10, а также исходя из условия его видности учащимися (слушателями). В аудиторном помещении обычного размера целесообразно выбирать длину винта 8 в пределах 5-15 сантиметров.
Пластина 10 может быть прикреплена к основанию 6 (фиг. 3) с помощью клея или винтами или свободно вращаться относительно оси вращения винта 8 (фиг. 4).
Пластина 10 имеет отверстие 13, через которое проходит винт 8, на который со стороны второй пластины 10 может быть установлена гайка 12, препятствующая полному выкручиванию винта 8 из основания 6 и выпадению пластины 10 с выступающей резьбовой части винта 8 в том случае, если пластина 12 не прикреплена к основанию 6 (фиг. 4).
Основание 6 может иметь различные размеры. Основным требованием к размерам основания 6 является удобное расположение в руке преподавателя и небольшой вес, например, основание 6 может быть выполнено в виде прямоугольной пластины размером 50-70 мм на 50-70 мм и толщиной 1-2 мм.
Проще всего в качестве основания 6, муфты 7 и винта 8 использовать покупные детали, которые продаются в магазинах строительно-хозяйственных товаров.
Основание 6, муфта 7 и винт 8 могут быть изготовлены из металла, например, стали, латуни, но в общем случае для их изготовления могут быть использованы и другие материалы, например, пластмассы.
Пластина 10 может быть изготовлена (вырезана) из различных материалов, например, стали или пластмассы. В простейшем случае пластина 10 может быть вырезана из картона и приклеена к основанию 6 с помощью клея (фиг. 4).
Наибольшую наглядность демонстрации правила буравчика в обоих вариантах устройства обеспечивает угол α между стрелками, близкий к 90 градусам (фиг. 2 и 6).
Размеры стрелок в обоих вариантах устройства для демонстрации правила буравчика, выбираются исходя из условия их видности учащимися (слушателями). В аудиторном помещении обычного размера целесообразно использовать стрелки длиной 10-20 см.
При осуществлении предлагаемого способа с использование устройства по первому варианту преподаватель, объясняющий правило буравчика, вращает штопор 1, который в результате вращательного движения осуществляет поступательное движение вдоль своей оси по отношению к пробке 4 и прикрепленной к ней пластине 5, и комментирует сопутствующее этому вращению поступательное движение штопора 1 в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой расположена пластина 5, изображающие векторы А и В.
Направление поступательного движения штопора 1 при его вращении от первого вектора ко второму по меньшему углу между векторами А и В указывает направление вектора С, перпендикулярного плоскости, в которой лежат векторы А и В, и являющегося векторным произведением С=[А,В] (фиг. 7) или С=[В,А] (фиг. 8). Если векторы А и В, изображенные на фиг. 7 и фиг. 8, лежат в плоскости листа, то вектор С перпендикулярен плоскости листа и направлен на фиг. 7 «от нас», а на фиг. 8 - «на нас».
При осуществлении предлагаемого способа с использование устройства по второму варианту преподаватель, объясняющий правило буравчика, вращает винт 8, который в результате вращательного движения осуществляет поступательное движение вдоль своей оси по отношению к основанию 6 и пластине 10, и комментирует сопутствующее этому вращению поступательное движение винта 8 в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой расположена пластина 10, изображающая векторы А и В.
Направление поступательного движения винта 8 при его вращении от первого вектора ко второму по меньшему углу между векторами А и В указывает направление вектора С, перпендикулярного плоскости, в которой лежат векторы А и В, и являющегося векторным произведением С=[А,В] (фиг. 7) или С=[В,А] (фиг. 8).
Авторами изобретений были с минимальными затратами изготовлены образцы двух вариантов предлагаемого устройства. Экспериментально было установлено, что демонстрация правила буравчика предлагаемым способом с применением любого из вариантов предлагаемых устройств позволило упростить изложение учебного материала, ускорило и углубило понимание учащимися правила буравчика.
Таким образом, в результате использования предлагаемого способа и любого из двух вариантов устройств для его осуществления, благодаря наглядности демонстрации правила при минимальных материальных затратах достигается технический результат, который заключается в ускорении изучения и повышении качества усвоения правила буравчика на занятиях по физике.
Различие предлагаемых вариантов устройств для демонстрации правила буравчика заключается в том, что устройство по первому варианту может быть изготовлено из простейших подручных средств, но является менее долговечным, чем устройство по второму варианту, которое, оставаясь очень дешевым, является немного более дорогостоящим, но зато более прочным и долговечным.
Промышленная применимость группы изобретений определяется тем, что предлагаемые варианты устройства могут быть изготовлены на основании приведенного описания и чертежей и использованы для осуществления предлагаемого способа демонстрации правила буравчика при изучении важных вопросов механики, электромагнетизма и оптики в курсе физики.
Источники информации:
1. Патент РФ №2616442 на изобретение, МПК G09B 23/18, опубл. 14.04.2017.
2. Патент РФ №2624588 на изобретение, МПК G09B 23/00, опубл. 20.06.2017.
3. Патент РФ №2348082 на изобретение, МПК G09F 19/02, опубл. 27.02.2009.
4. Патент РФ №2010346 на изобретение, МПК G09B 23/18, опубл. 30.03.1994.
5. Патент РФ №2423737 на изобретение, МПК G09B 23/18, опубл. 10.07.2011.
6. Патент РФ на полезную модель №146539, МПК G09B 23/06, опубл. 10.10.2014.
7. Патент РФ на полезную модель №103957, МПК G09B 23/06, опубл. 27.04.2011.
8. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики: учеб. пособие для вузов. В 3 томах. 13-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2009. - 1664 с. - (Для студентов технических вузов и университетов).
9. Общая физика: учебное пособие / коллектив авторов; под ред. А.А. Воробьева. - М: Издательство «КНОРУС», 2016. - 800 с. - (Бакалавриат. Технические направления подготовки и специальности).
10. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. 11-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 560 с. (Высшее профессиональное образование. Инженерно-технические специальности).