КОМПЛЕКТ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНОВ МЕХАНИКИ (ВАРИАНТЫ), МАГНИТНЫЙ ГЕРКОНОВЫЙ ДАТЧИК И ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МГНОВЕННОЙ СКОРОСТИ ТЕЛА, БРОШЕННОГО ГОРИЗОНТАЛЬНО
SET FOR DEMONSTRATING LAWS OF MECHANICS (VERSIONS), HERMETICALLY SEALED MAGNETIC SENSOR AND DEVICE FOR DETERMINING INSTANTANEOUS SPEED OF BODY THROWN HORIZONTALLY

Изобретение относится к учебному пособию, которое может быть использовано для демонстрации законов механики преимущественно при выполнении экспериментальных заданий, включенных в контрольные измерительные материалы, используемые при Государственной итоговой аттестации по физике выпускников основной школы, а также для подготовки к аттестации. Комплект может быть использован также для проведения лабораторных работ при изучении раздела "Механика" курса физики в условиях общеобразовательных учебных заведений.
Известно устройство для изучения законов механики, содержащее беговую дорожку (механическую скамью) с линейной шкалой, брусок, имеющий боковой выступ с магнитной вставкой, секундомер со спаренными магнитоуправляемыми датчиками, грузы с подвесными крючками, динамометр, шарик, разборный штатив, цилиндрическую пружину с крючками на концах, рычаг с рядом равномерно продольно расположенных отверстий. Составные части устройства помещены в корпус с крышкой, выполненный в виде пенала, внутренняя полость которого снабжена ложементами для размещения частей устройства, При изучении законов трения используют брусок и крышку, поверхности которой имеют различные коэффициенты трения. При проведении опытов с шариком используют беговую дорожку, устанавливая ее под необходимым углом наклона (патент RU 2204865). При изучении законов трения к бруску подсоединяют динамометр и, перемещая брусок по наклонной поверхности крышки, определяют силу тяги. При этом положение бруска на поверхности крышки при его перемещении является неконтролируемым, т.к. не имеет каких-либо ограничений в поперечном направлении. Для измерения скорости неравномерного движения дополнительно используют секундомер со спаренными магнитоуправляемыми датчиками. При прохождении бруска мимо датчиков магнитная вставка в выступе бруска замыкает их, а секундомер фиксирует время перемещения бруска. В известном устройстве не предусмотрены такие средства, которые обеспечили бы четкое позиционирование положения датчиков относительно поверхности крышки, по которой перемещается брусок, и, следовательно, относительно и самого бруска. Указанные выше недостатки могут привести к некачественному проведению опытов, экспериментов и получению неточных результатов.
Известно учебное пособие для изучения законов механики, содержащее беговую дорожку, выполненную в виде двутаврового желоба с мерной шкалой и продольными магнитными полосками. Внутри желоба установлена на перемычке перемещающаяся каретка с флажками, боковыми вращающимися фиксаторами и магнитными полосками на ее основании. Учебное пособие включает также датчики положения каретки, стартовое устройство, буфер, указатель, транспортир, цифровой командно-измерительный блок, набор грузов различной массы, груз, выполненный в виде пластины с отверстиями для закрепления на флажках каретки, брусок с отверстиями. Стартовое устройство включает платформу, основание которой снабжено магнитными вставками, гнездами на лицевой стороне платформы, держателем, на котором закреплен электромагнит с сердечником, обмоткой и пружиной. Электромагнит снабжен штекерами или разъемом и гнездами для подключения к источнику питания и цифровому командно-измерительному блоку и блочным разъемам. Для определения положения каретки используют оптоэлектрический датчик, корпус которого закреплен на плате, имеющей магнитные вставки. Корпус датчика имеет отверстия для размещения оптических элементов-диодов и 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 (патент RU 2314571). Так же, как и в предыдущем устройстве, в данном пособии не решен вопрос ограничения возможности значительного смещения каретки в поперечном направлении, что может приводить к неточным результатам проводимых опытов и экспериментов. Использование оптоэлектрического датчика и сопутствующих ему узлов в качестве средства определения положения каретки усложняет как само пособие, так и условия его эксплуатации, а также из-за недостаточно малого времени срабатывания не позволяет получить максимально точные результаты измерения.
Ближайшим аналогом к заявляемому объекту является устройство для проведения лабораторных работ, содержащее магнитное основание, беговую дорожку в виде желоба со стенками, линейной шкалой и продольной магнитной полосой, каретку с глухими отверстиями, секундомер, датчики, разборный штатив, грузы, динамометр, рычаг с продольно расположенными отверстиями, шарик. Беговая дорожка снабжена боковой горизонтальной продольной полкой, примыкающей к одной из стенок желоба. Внешняя сторона основания желоба основной беговой дорожки снабжена дополнительной беговой дорожкой, выполненной в виде двух параллельных вертикальных направляющих, двумя вертикальными ребрами, расположенными по разные стороны от дополнительной беговой дорожки, вертикальные направляющие выполнены меньшей высотой, чем высота вертикальных ребер. Каретка снабжена двумя зацепами и плоским боковым выступом с магнитной вставкой на его верхней стороне. Грузы выполнены в виде параллелепипедов с торцевыми зацепами, при этом на нижней плоскости основания груза выполнен цилиндрический фиксатор, сопрягаемый с глухим отверстием каретки. Секундомер снабжен разъемом для присоединения спаренных датчиков, выполненных в виде нормально разомкнутого магнитоуправляемого контакт-геркона, устанавливаемого на магнитной полосе беговой дорожки. Устройство снабжено пластиковой коробкой, внутри которой установлен пластиковый вкладыш с ложементами, соответствующими профилю укладываемых элементов устройства (патент RU 2376647).
В этом же патенте показана конструкция датчика, состоящего из корпуса с магнитом, служащим для взаимодействия с магнитной полосой, закрепляемой на беговой дорожке, и расположенного внутри корпуса геркона.
Кроме того, в патенте показана возможность использования одного из узлов устройства в качестве приспособления для изучения движения тела, брошенного горизонтально. С этой целью на беговой дорожке выполнен трамплин, выполненный за одно целое с беговой дорожкой. Трамплин базируется на свободных концах двух вертикальных направляющих дополнительной беговой дорожки, выполненной зацело с основной дорожкой. На дополнительную беговую дорожку устанавливают стальной шарик. При движении по вертикальным направляющим шарик вначале набирает скорость, а потом переходит в горизонтальное движение в зоне трамплина и, отрываясь от него, падает в сторону контактно-чувствительного экрана. Измеряя дальность полета шарика и высоту падения, ориентируясь на точку падения на экране, определяют расчетные зависимости.
В известном устройстве возможность значительного смещения каретки в поперечном направлении, при движении ее по беговой дорожке, ограничена боковыми бортами беговой дорожки, с которыми соприкасаются боковые стороны каретки. Однако, поскольку соприкосновение боковых сторон каретки и боковых бортов дорожки происходит по поверхности (т.е. каждая боковая сторона каретки всей своей поверхностью взаимодействует с поверхностью соответствующего борта беговой дорожки), то на каретку действует значительная сила трения, которая тормозит движение каретки, нарушает равномерность ее перемещения и тем самым препятствует получению максимально точных результатов при демонстрации законов механики. Кроме того, отсутствие в конструкции датчиков элементов, обеспечивающих их точное стабильное положение относительно беговой дорожки, будет приводить к смещению датчиков в процессе проведения опыта, что также отрицательно скажется на его результатах. Конструктивное выполнение той части корпуса датчика, в которой расположен геркон, обеспечивает качественный прием сигнала только с одной из сторон корпуса, вследствие чего ограничиваются возможности использования датчика при различных демонстрационных опытах.
Особенности выполнения беговой дорожки известного устройства, обусловленные необходимостью размещения на ней трамплина, значительно усложняют конструктивное выполнение дорожки и технологию ее изготовления. При этом герконовые датчики, которые являются составной частью известного устройства, не могут, однако, быть использованы при изучении движения тела, брошенного горизонтально, в силу конструктивного выполнения беговой дорожки, не позволяющего разместить датчики в доступной зоне, а также из-за примененной формы движущегося тела - шарика, - которая не позволяет монтировать на движущемся теле позиционированный магнит из-за нестабильного положения шара во время движения. Использование такого тела (шарика) для определения мгновенной скорости тела, брошенного горизонтально, делает процесс определения, сопровождающийся вышеуказанными измерениями дальности полета шарика и высоты его падения, трудоемким и неточным.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию универсального учебного комплекта, который позволил бы проводить опыты и демонстрационные эксперименты по различным темам раздела "Механика" курса физики.
Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, - это повышение удобства в пользовании комплектом и повышение качества проведения опытов и экспериментов с получением максимально точных результатов, а также расширение демонстрационных возможностей за счет создания универсального учебного комплекта, обеспечивающего наглядную демонстрацию большинства эффектов, связанных с разделом физики «Механика».
Для достижения указанного технического результата предлагается, в соответствии с одним из вариантов выполнения, комплект для демонстрации законов механики, содержащий механическую (направляющую) скамью в форме желоба с продольной магнитной полосой на наружной поверхности его бокового борта, твердое тело с позиционированным магнитом и, по меньшей мере, одним элементом для подсоединения к нему измерительного средства, выполненное с возможностью установки в скамье и перемещения вдоль нее, магнитоуправляемые герконовые датчики, каждый из которых включает корпус с магнитом, служащим для взаимодействия с продольной магнитной полосой на наружной поверхности бокового борта желоба при установке датчика на механической скамье, и расположенный внутри корпуса геркон, набор измерительных средств, включающий динамометры, секундомер, мерный цилиндр, мерный стакан, весы электронные, набор грузов, рычаг-линейку и, по меньшей мере, один пластиковый контейнер с ложементами, выполненными в соответствии с профилями укладываемых элементов комплекта. Поперечное сечение желоба механической скамьи, и/или конфигурация, и/или габариты твердого тела выполнены и выбраны из условия обеспечения линейного контакта твердого тела с боковыми бортами желоба. Корпус герконового датчика состоит из опорной части, на которой закреплен упомянутый магнит и которая выполнена с возможностью обеспечения стабильного позиционирования датчика относительно механической скамьи при установке его на продольной магнитной полосе, и из несущей части в виде капсулы, вытянутой в осевом направлении, замкнутая внутренняя осевая полость которой служит для размещения геркона, при этом упомянутая несущая часть в поперечном сечении имеет конфигурацию, при которой обеспечена возможность стабильного срабатывания геркона при расположении инициирующего магнита с любой точки периметра несущей части.
В состав комплекта входит приспособление для определения мгновенной скорости тела, брошенного горизонтально.
Набор измерительных средств дополнительно включает транспортир, мерную ленту и металлическую линейку, а рычаг-линейка выполнен с навешенными на него, с возможностью перемещения вдоль него, петлями-держателями.
Комплект содержит разборный штатив.
По второму варианту выполнения предлагается комплект для демонстрации законов механики, содержащий механическую (направляющую) скамью в форме желоба с продольной магнитной полосой на наружной поверхности его бокового борта, твердое тело с позиционированным магнитом и, по меньшей мере, одним элементом для подсоединения к нему измерительного средства, выполненное с возможностью установки в скамье и перемещения вдоль нее, магнитоуправляемые герконовые датчики, каждый из которых включает корпус с магнитом, служащим для взаимодействия с продольной магнитной полосой на наружной поверхности бокового борта желоба при установке датчика на механической скамье, и расположенный внутри корпуса геркон, набор измерительных средств и набор грузов. Корпус герконового датчика состоит из опорной части, на которой закреплен упомянутый магнит и которая выполнена с возможностью обеспечения стабильного позиционирования датчика относительно механической скамьи при установке его на продольной магнитной полосе, и из несущей части в виде капсулы, вытянутой в осевом направлении, замкнутая внутренняя осевая полость которой служит для размещения геркона, при этом упомянутая несущая часть в поперечном сечении имеет конфигурацию, при которой обеспечена возможность стабильного срабатывания геркона при расположении инициирующего магнита с любой точки периметра несущей части.
Поперечное сечение желоба механической скамьи, и/или конфигурация, и/или габариты твердого тела выполнены и выбраны из условия обеспечения линейного контакта твердого тела, при перемещении его вдоль скамьи, с боковыми бортами желоба.
В состав комплекта входит приспособление для определения мгновенной скорости тела, брошенного горизонтально.
Набор измерительных средств включает динамометры, секундомер, мерный цилиндр, мерный стакан, весы электронные, транспортир, мерную ленту и металлическую линейку.
Комплект включает рычаг-линейку с навешенными на него, с возможностью перемещения вдоль него, петлями-держателями и разборный штатив.
В состав комплекта входит, по меньшей мере, один пластиковый контейнер с ложементами, выполненными в соответствии с профилями укладываемых элементов комплекта.
Оба варианта выполнения комплекта дополнительно характеризуются следующими развивающими и уточняющими признаками.
В качестве твердого тела использованы брусок или каретка.
Боковые борта желоба изогнуты внутрь желоба таким образом, что свободные продольные края бортов образуют ребро, по которому происходит линейный контакт бруска с боковыми бортами желоба.
Наружная поверхность основания желоба ограничена боковыми стенками.
Возможность стабильного позиционирования датчика относительно механической скамьи обеспечена за счет выполнения на опорной части корпуса датчика ограничительных элементов, расположенных по разные стороны от установленного в опорной части магнита и охватывающих магнитную полосу соответственно с обоих ее продольных торцов при установке датчика на механической скамье.
Несущая часть корпуса датчика имеет форму цилиндра с кольцеобразным круглым поперечным сечением.
В качестве еще одного из объектов изобретения заявляется герконовый датчик к комплекту для демонстрации законов механики, включающий корпус с магнитом, служащим для взаимодействия с магнитной полосой, закрепляемой на несущей скамье, входящей в состав комплекта, и расположенный внутри корпуса геркон. Корпус датчика состоит из опорной части, на которой закреплен упомянутый магнит, и из несущей части. Опорная часть выполнена с возможностью обеспечения стабильного позиционирования датчика (стабильного фиксированного положения датчика) относительно механической скамьи комплекта при установке его на упомянутой магнитной полосе. Несущая часть выполнена в виде капсулы, вытянутой в осевом направлении, замкнутая внутренняя осевая полость которой служит для размещения геркона. Несущая часть в поперечном сечении имеет конфигурацию, при которой обеспечена возможность стабильного срабатывания геркона при расположении инициирующего магнита с любой точки периметра несущей части.
Возможность стабильного позиционирования датчика относительно механической скамьи обеспечена за счет выполнения на опорной части корпуса датчика ограничительных элементов, расположенных по разные стороны от установленного в опорной части магнита на расстоянии друг от друга, обеспечивающем плотный охват этими элементами магнитной полосы при установке датчика на механической скамье.
Несущая часть корпуса датчика имеет форму цилиндра с кольцеобразным круглым поперечным сечением.
И, наконец, четвертым объектом изобретения является приспособление для определения мгновенной скорости тела, брошенного горизонтально, включающее механическую скамью в форме желоба с продольной магнитной полосой на наружной поверхности его бокового борта, цилиндрическое тело с позиционированным магнитом, выполненное с возможностью установки в скамье и качения по поверхности основания желоба, и магнитоуправляемые герконовые датчики. Каждый датчик включает корпус с магнитом, служащим для взаимодействия с продольной магнитной полосой на наружной поверхности борта желоба при установке датчика на механической скамье, и расположенный внутри корпуса геркон. Механическая скамья представляет собой трамплин, основание желоба которого состоит из участка разгона и площадки отрыва на концевом участке трамплина, образованной за счет выполнения в зоне указанного концевого участка сквозных разрезов по линиям в зонах примыкания основания желоба к его боковым бортам. Корпус герконового датчика состоит из опорной части, на которой закреплен упомянутый магнит и которая выполнена с возможностью обеспечения стабильного позиционирования датчика относительно механической скамьи комплекта при установке его на упомянутой магнитной полосе, и из несущей части, служащей для размещения геркона.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 и 2 схематично изображен заявляемый комплект, помещенный в пластиковых контейнерах.
На фиг.3 - механическая скамья в аксонометрии.
На фиг.4 - поперечное сечение механической скамьи.
На фиг.5 и 6 - герконовый датчик в разобранном состоянии, в двух ракурсах.
На фиг.7 - приспособление для определения мгновенной скорости тела, брошенного горизонтально, вид спереди.
На фиг.8 - то же, вид сверху.
На фиг.9 - вид узла А на фиг.8.
На фиг.10 - механическая скамья приспособления для определения мгновенной скорости тела, брошенного горизонтально, вид спереди.
На фиг.11 - то же, вид сверху.
На фиг.12 и 13 - иллюстрации к отдельным примерам использования комплекта.
Предлагаемый комплект для демонстрации законов механики включает механическую (направляющую) скамью 1 в виде длинномерной профилированной металлической полосы, твердое тело, в качестве которого показан брусок 2, магнитоуправляемые герконовые датчики 3, набор измерительных средств и набор грузов.
Механическая скамья 1 имеет форму желоба с плоским основанием 4, образующим беговую дорожку, и боковыми бортами 5 и 6, загнутыми внутри желоба (фиг.3, 4). При загибе бортов свободные торцы бортов образуют ребра 7 и 8, назначение которых будет понятно ниже. Скамья 1 может быть выполнена из одной полосы, однако для удобства хранения она предпочтительно выполняется из двух полос 9 и 10 разной длины, присоединяемых одна к другой на период выполнения опытов (фиг.12). На боковом борту 5 скамьи 1 имеется линейная шкала 11 и закреплена продольная магнитная полоса 12.
Наружная поверхность 13 основания желоба ограничена боковыми стенками 14 и 15. В результате скамья 1 приобретает в поперечном сечении вид двутавра (фиг.4). При этом поверхность 13, которая образует дополнительную беговую дорожку, может быть использована для перемещения вдоль нее груза посредством предварительно присоединенного к нему динамометра, по которому определяют силу тяги.
Брусок 2 имеет форму прямоугольного параллелепипеда и установлен в скамье 1 с опорой своим плоским основанием на плоское основание 4 скамьи (желоба) и с возможностью перемещения по скамье вдоль нее. Взаимно перпендикулярные грани бруска отличаются друг от друга по площади. Габариты бруска 2 подобраны таким образом, что при перемещении его вдоль скамьи 1 его боковые стороны скользят по ребрам 7 и 8 бортов 5 и 6 желоба скамьи 1, контактируя, таким образом, с ребрами только по линии.
На бруске 2 закреплен позиционированный магнит 16 (фиг.12, 13). На противолежащих торцах бруска смонтированы крюки 17 для подсоединения измерительных средств, грузов 18 и других элементов, используемых при проведении опытов. С этой же целью на всех гранях бруска выполнены гнезда 19.
Каждый из герконовых датчиков 3 включает корпус и расположенный внутри корпуса геркон 20 (фиг.5, 6). Геркон - это герметически запаянный в стеклянную трубку контакт. Он замыкается или размыкается при поднесении к нему магнита. Достоинство герконового датчика - большая износоустойчивость и, следовательно, очень большой срок службы, очень малое время срабатывания, возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, а также нечувствительность к загрязнению.
Корпус герконового датчика состоит из опорной части 21 и из несущей части 22. С наружной стороны опорной части 21 имеется прямоугольное углубление (ниша) 23, в которое помещен магнит 24. Крепления датчика 3 на скамье 1 осуществляется за счет взаимодействия магнита 24 с продольной магнитной полосой 12.
Очень важно, чтобы в процессе проведения опытов не происходило смещений и перекосов датчиков 3. В связи с этим для обеспечения стабильного положения датчиков 3 относительно скамьи 1 использованы ограничительные элементы. Эти элементы представляют собой полки 25 и 26, расположенные по разные стороны от установленного в опорной части магнита 24 по противолежащим верхней и нижней линиям прямоугольного углубления 23 и выступающие наружу относительно опорной части 21 корпуса датчика. Размеры элементов датчиков 3 и магнитной полосы 12 подобраны таким образом, что при креплении магнита на механической скамье полки 25 и 26 плотно охватывают магнитную полосу 12 со стороны ее противолежащих верхнего 27 и нижнего 28 продольных торцов, обеспечивая тем самым стабильное фиксированное положение датчиков на скамье (фиг.12).
Несущая часть 22 корпуса датчика выполнена в виде капсулы, вытянутой в осевом направлении. Внутри капсулы образована замкнутая внутренняя осевая полость 29, в которую помещается геркон 20. Несущая часть 22 корпуса датчика 3 должна иметь в поперечном сечении такую конфигурацию, при которой была бы обеспечена возможность стабильного срабатывания геркона 20 при расположении инициирующего магнита с любой точки периметра несущей части 22. Наиболее предпочтительный вариант выполнения несущей части 22 корпуса датчика показан на фиг.5 и 6, из которых видно, что часть 22 имеет форму цилиндра и кольцеобразную круглую форму в поперечном сечении. В результате такого выполнения геркон 20 находится в одинаковых условиях для приема сигнала по всему боковому периметру цилиндра.
Корпус датчика 3 выполнен разъемным (из двух частей) по плоскости, проходящей через ось цилиндра несущей части 22 и параллельно прямоугольному углублению 23, а относительно плоскости, перпендикулярной плоскости разъема, корпус датчика выполнен симметричным. Части разъемного корпуса скрепляются друг с другом посредством выступов 30 и гнезд 31 под выступы.
Набор измерительных средств включает динамометры 32, секундомер 33, мерный цилиндр 34, мерный стакан 35, весы электронные 36, а также дополнительно включает транспортир 37 и металлическую линейку 39.
Комплект дополнительно содержит калькулятор 40 и рычаг-линейку 41 с навешенными на него и имеющими возможность перемещения вдоль него петлями-держателями, а также разборный штатив 42.
В состав комплекта также входят ключ 43 секундомера, коврик 53, муфту 54 штатива, пакет 55 с мерными лентами и скрепками, пакет 56 с упругими элементами, пакет 57 со шнурами, трубку 58 с шариком, полоса картонная 59 с зажимами, блок подвижный 60, колба-шприц 61, зажим-лапа 62, блок неподвижный 63.
Составные части комплекта укладываются предпочтительно в два пластиковых контейнера 44 и 45. В каждом из контейнеров размещен вкладыш, в котором имеются ложементы, соответствующие профилю укладываемых элементов комплекта. Штатив 42 помещается в отдельный тубус, в котором размещается также и более длинная полоса скамьи 1.
Большой интерес представляет приспособление для определения мгновенной скорости тела, брошенного горизонтально, которое может быть включено в состав комплекта или выпускаться в качестве самостоятельного объекта.
Приспособление включает механическую скамью 46 в форме желоба с продольной магнитной полосой 46а на наружной поверхности его бокового борта и магнитоуправляемые герконовые датчики 3 (фиг.7-11). В скамье располагается цилиндрическое твердое тело качения 47 с позиционированным магнитом 48. Каждый датчик 3 выполнен в соответствии с конструкцией, которая уже была раскрыта выше. Механическая скамья 46 представляет собой трамплин, основание желоба которого состоит из участка разгона 49 и площадки отрыва 50 на концевом участке трамплина. Площадка отрыва представляет собой часть основания, которая образовалась путем выполнения в зоне концевого участка трамплина сквозных разрезов 51 и 52, который проходит по линиям в зонах примыкания основания желоба к его боковым бортам.
Как отмечалось выше, предлагаемый комплект преимущественно предназначен для демонстрации законов механики при выполнении экспериментальных заданий, включенных в контрольные измерительные материалы, используемые при Государственной итоговой аттестации по физике выпускников основной школы, а также для подготовки к аттестации. Аттестуемый учащийся для демонстрации соответствующего закона механики отбирает из контейнеров необходимые элементы комплекта и подготавливает, т.е. собирает их для проведения опыта.
Ниже приведены отдельные примеры использования комплекта.
Пример 1. «Определения КПД при подъеме тела по наклонной плоскости»
Скамью 1 фиксируют одним концом, поднятым над опорной поверхностью, в зажимных лапках штатива 42, обеспечивая при этом ее наклонное положение. Другой конец скамьи при этом опирается на опорную поверхность. Устанавливают брусок 2 на беговую дорожку скамьи. К бруску 2 подсоединяют динамометр 32. Перемещая динамометр 32 в сторону зафиксированного в штативе конца скамьи 1, а вместе с ним и брусок 2, который при этом движется по беговой дорожке скамьи, определяют по шкале динамометра силу тяги. В процессе проведения опыта изменяют вес перемещаемого тела, устанавливая на бруске разные грузы. Определив высоту подъема перемещаемого тела и его вес, определяют работу при вертикальном подъеме, силу тяги и КПД беговой дорожки.
Пример 2. «Измерение скорости движения тела» (фиг.12)
Скамью 1 фиксируют в наклонном положении так же, как и в примере 1. В этом опыте дополнительно используются секундомер 33 со спаренными магнитоуправляемыми герконовыми датчиками 3. Датчики 3 закрепляют на продольной магнитной полосе 12 скамьи 1, при этом положение датчиков, благодаря особенности их фиксации на скамье, в процессе проведения опыта остается стабильным. Брусок 2 перемещается по беговой дорожке скамьи. Благодаря наличию на бруске 2 позиционированного магнита, который, проходя мимо датчиков 3, замыкает их, секундомер 33 фиксирует время перемещения бруска. Расстояние между датчиками 3 определяется по линейной шкале 11. По полученным значениям пройденного пути и времени прохождения определяют скорость движения бруска.
Пример 3. «Определение коэффициента жесткости пружины» (фиг.13)
Скамью 1 фиксируют в вертикальном положении. К верхнему концу скамьи подвешивают пружину. На другой конец пружины навешивают брусок 2. По линейной шкале 11 фиксируют начальное положение бруска на скамье. Отпускают брусок 2, обеспечивая его свободное перемещение вдоль скамьи 1. При этом происходит удлинение пружины на определенную величину. Определяют расстояние, на которое переместился брусок 2, которое соответствует величине удлинения пружины. Если под действием силы F удлинение пружины равно Δt, то коэффициент жесткости пружины вычисляют исходя из закона Гука:
F=kΔl k=F/Δl;
0
0
F=mg (где m - масса бруска); Δl=l-l (где ±l - начальная длина пружины; l - конечная длина пружины).
Нагружая брусок 2 грузами 18 различной массы, наблюдают изменение величины удлинения пружины в зависимости от величины нагрузки и приходят в результате вычислений к тому же значению коэффициента жесткости пружины. Проверяют закон Гука из соотношения сил и соответствующих им деформаций пружины.
Пример 4. «Исследование зависимости силы трения скольжения от рода соприкасающихся поверхностей
Скамью 1 фиксируют в стационарном положении. Помещают на беговую дорожку скамьи брусок 2 и присоединяют к бруску динамометр 32. Тянут динамометр так, чтобы брусок 2 двигался равномерно (без рывков). Фиксируют значение силы трения для первой пары соприкасающихся поверхностей. Для получения максимально достоверного результата измерения проводят не менее трех раз. Надевают на брусок со стороны его основания, взаимодействующего с поверхностью беговой дорожки, чехол, например, из наждачной бумаги. Повторяют опыт, фиксируя значение силы трения для второй пары соприкасающихся поверхностей. Аналогично опыт проводят несколько раз для различных пар соприкасающихся поверхностей. Заносят результаты в таблицу и делают вывод об изменении силы трения скольжения при изменении степени шероховатости соприкасающихся поверхностей.
Пример 5. «Исследование зависимости силы трения скольжения от веса тела
Скамью 1 фиксируют в стационарном положении. При помощи динамометра 32 определяют вес бруска 2. Помещают брусок на беговую дорожку скамьи и присоединяют к нему динамометр 32. Тянут динамометр так, чтобы брусок 2 двигался равномерно (без рывков), а динамометр 32 был параллелен плоскости беговой дорожки, по которой перемещается брусок. Фиксируют значение силы трения. Для получения максимально достоверного результата измерения проводят не менее трех раз. Полученные результаты заносят в таблицу. Помещают на брусок 2 грузы 18 различной величины, изменяя тем самым вес перемещаемого тела. Для каждого нового значения веса тела проводят аналогичные измерения и заносят полученные результаты в таблицу. По имеющимся табличным данным строят график зависимости средней силы трения скольжения от веса тела. Делают вывод о зависимости силы трения скольжения от веса тела.
Пример 6. «Исследование зависимости силы трения скольжения от площади соприкасающихся поверхностей»
1
2
1
2
1
Скамью 1 фиксируют в стационарном положении. Определяют площади S и S двух взаимно перпендикулярных граней бруска 2, отличающихся по площади. Помещают брусок 2 на беговую дорожку скамьи 1 одной своей гранью, имеющей площадь S, и присоединяют к нему динамометр 32. Тянут динамометр так, чтобы брусок двигался равномерно (без рывков), а динамометр был параллелен плоскости беговой дорожки, по которой перемещается брусок. Фиксируют значение силы трения. Для получения максимально достоверного результата измерения проводят не менее трех раз. Полученные результаты заносят в таблицу. Помещают брусок 2 на беговую дорожку скамьи 1 другой своей гранью, имеющей площадь S, отличную от площади S, и присоединяют к нему динамометр 32. Фиксируют значение силы трения. Делают вывод о зависимости силы трения от величины площади соприкасающихся поверхностей.
Пример 7. «Демонстрация «золотого правила» механики (вариант закона сохранения энергии, согласно которому ни один из простых механизмов не дает выигрыша в работе; во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии)».
При демонстрации «золотого правила» механики используют рычаг-линейку 41 с навешенными на него петлями-держателями. Обеспечивают горизонтальное положение рычага в подвешенном на штативе состоянии. К одному из держателей подвешивают грузы, а к другому присоединяют динамометр. Изменяя положение грузов и динамометра, определяют силу тяжести и величину работы по подъему грузов.
Пример 8. «Демонстрация закона Архимеда (на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости».
При исследовании объема вытесненной жидкости используют закрепленный в штативе мерный цилиндр. Помещают в мерный цилиндр грузы различного веса или брусок. При этом часть жидкости вытесняется через трубку и переливается в мерный стакан.
Пример 9. «Определения мгновенной скорости тела, брошенного горизонтально»
Механическую скамью 46 устанавливают и фиксируют под углом к горизонтальной поверхности. На концевом участке скамьи 46 непосредственно в зоне ее нижнего торца на продольной магнитной полосе закрепляют датчики 3. Положение датчиков благодаря особенности их фиксации на скамье в процессе проведения опыта остается стабильным. Цилиндрическое тело 47 размещают в скамье между ее боковыми бортами. При движении тела 47 вдоль скамьи оно, перемещаясь по участку разгона 49, набирает скорость, а затем переходит в горизонтальное движение в зоне площадки отрыва 50. Позиционированный магнит 48, закрепленный на цилиндрическом теле, проходя мимо герконовых датчиков 3, замыкает их, а соединенный с датчиками секундомер показывает время перемещения цилиндрического тела. Расстояние между датчиками 3 определяется по линейной шкале на скамье. По полученным значениям определяют мгновенную скорость тела, брошенного горизонтально.
Предлагаемый комплект позволит обеспечить:
1) конструирование заданий по проверке уровня сформированности экспериментальных умений, определенных планируемыми результатами обучения на повышенном уровне;
2) определение интервалов возможных значений количественных результатов измерений и исследований, которые могут получать ученики при условии сформированности соответствующих умений;
3) постановку экспериментов всех типов заданий, соответствующих контролируемым видам экспериментальной деятельности;
4) вариативность заданий одного и того же типа с разными интервалами возможных значений.
Комплект позволяет сконструировать задания следующих типов:
1) прямые измерения физических величин;
2) определение физических величин на основе их расчета с использованием прямых измерений (косвенные измерения физических величин);
3) сравнение рассчитанных числовых значений физических величин с результатами их измерений;
4) наблюдение и объяснение явлений;
5) проведение исследований некоторого выделенного свойства явления;
6) проверка статуса предложенных гипотез;
7) построение и анализ графика эмпирической зависимости одной физической величины от другой;
8) проведение исследования по проверке зависимостей между физическими величинами.