УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
DEVICE FOR PERFORMANCE OF LABORATORY WORKS

Изобретение относится к учебным пособиям и предназначено для проведения лабораторных работ по физике, механике, динамике.
Известно устройство учебно-наглядного пособия L-микро для изучения явлений механики, содержащее снабженные магнитными полосками беговую дорожку в виде желоба с линейной шкалой, каретку с датчиками, шкивы и грузы (см. свидетельство на полезную модель RU №0006256, кл. G09В 23/06). Это устройство предназначено для работы одного ученика, остальные в это время могут только наблюдать за проведением лабораторной работы.
Известно учебное пособие для изучения законов механики, содержащее 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, бруском с отверстиями и крючком (см. патент на изобретение RU №2314571, кл. G09В 23/06). Это учебное пособие основано на получении оптоэлектрических эффектов, является достаточно сложным и предназначено только для изучения физических законов статики и динамики.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является устройство для проведения лабораторных работ по механике, содержащее магнитное основание, беговую дорожку в виде желоба со стенками, линейной шкалой и продольной магнитной полосой, каретку с отверстиями, грузы, шкивы, секундомер, магнитные датчики, разборный штатив в виде вертикального стержня и основания с отверстием для стержня, крестообразную муфту, грузы с подвесными крючками, динамометр со шкалой, измерительной пружиной и подвесным крючком, цилиндрическую пружину с крючками на концах, рычаг с продольно расположенными отверстиями, контактно-чувствительный экран, шарик стальной (см. свидетельство на полезную модель RU №14690, кл. G09В 23/06, 2000 г.). Это устройство позволяет преподавателю работать со всей аудиторией одновременно, проводя достаточно большое количество опытов. Однако расширение функций устройства проявляется в увеличении его размеров и габаритов, что становится особенно неудобным, когда в течение занятий нужно провести несколько лабораторных работ с разными устройствами.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи расширения функциональных возможностей и универсальности устройства для проведения лабораторных работ, в том числе увеличение аудитории, непосредственно вовлеченной в одновременное выполнение разных лабораторных заданий, а также упрощения сборки-разборки, распределения устройств между учениками и удобства последующей укладки на хранение.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в устройстве для проведения лабораторных работ, содержащем магнитное основание, беговую дорожку в виде желоба со стенками, линейной шкалой и продольной магнитной полосой, каретку с глухими отверстиями, шкивы, секундомер, датчики, разборный штатив в виде вертикального стержня и основания с отверстием для стержня, крестообразную муфту, грузы с подвесными крючками, динамометр со шкалой, измерительной пружиной и подвесным крючком, цилиндрическую пружину с крючками на концах, рычаг с продольно расположенными отверстиями, контактно-чувствительный экран, шарик стальной, при этом
- беговая дорожка снабжена боковой горизонтальной продольной полкой с овальным отверстием, примыкающей к одной из стенок желоба, причем отверстие выполнено в полке на большем расстоянии от одного края, чем от другого, в соотношении 0,73÷0,63, внешняя сторона основания желоба основной беговой дорожки снабжена дополнительной беговой дорожкой в виде двух параллельных вертикальных направляющих с трамплином на свободном конце, двумя вертикальными ребрами, расположенными по разные стороны от дополнительной беговой дорожки, причем верхние торцы вертикальных ребер выполнены криволинейно-вогнутыми в центральной части, примыкающими к ней с двух сторон прямолинейными участками и примыкающим к одному прямолинейному участку скосом со стороны, противоположной трамплину, вертикальные направляющие выполнены меньшей высотой, чем высота вертикальных ребер прямолинейных участков, снабженных выемками и опорными площадками с магнитными вставками, а в зоне скоса выполнены две внутренние плоские перемычки;
- каретка снабжена двумя зацепами, расположенными на ее торцах и выполненными в виде плоских вертикальных ребер со сквозным отверстием, и плоским боковым выступом с магнитной вставкой на его верхней стороне;
- грузы выполнены в виде параллелепипедов с сопрягаемыми между собой торцевыми зацепами, один из которых имеет Т-образную форму с отверстием, а другой имеет сквозной Т-образный паз и ограничитель, при этом на нижней плоскости основания груза выполнен цилиндрический фиксатор, сопрягаемый с глухими отверстиями каретки;
- секундомер снабжен электронным табло и разъемом для присоединения спаренных датчиков, выполненных в виде нормально разомкнутого магнитоуправляемого контакт-геркона, установленного в зоне окна на внутренней поверхности крышки корпуса, выполненного в виде короба;
- устройство снабжено основной пластиковой коробкой со ступенчатой горизонтальной отбортовкой по всему периметру верхних кромок стенок, имеющих разнесенные по вертикали выступы на внешних поверхностях, внутри которой установлен пластиковый вкладыш с горизонтальной отбортовкой стенок, сопрягаемой со ступенькой основной коробки и с ложементами, выполненными в днище вкладыша и соответствующими профилю укладываемых элементов устройства, и дополнительными пластиковыми коробками: одна - для укладки частей штатива устройства, а другая - для укладки дополнительных динамометров устройства.
Устройство дополнительно снабжено динамометром, выполненным в виде полого прозрачного цилиндра с заглушками по торцам, одна из которых снабжена хвостовиком, расположенным внутри цилиндра, к которому подвешена измерительная пружина, свободный конец которой снабжен штоком с ограничителем движения, а противоположная заглушка снабжена сквозным отверстием для свободного продольного перемещения в нем штока, хвостовик которого расположен вне цилиндра и снабжен петлей.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображено устройство для проведения лабораторных работ, расположенное в коробке, на фиг.2 - устройство, размещенное на магнитном основании, на фиг.3 - вид А фиг.2, на фиг.4 - вид В фиг.3, на фиг.5 - груз, вид спереди, на фиг.6 - груз, вид сверху, на фиг.7 - крышка датчика, на фиг.8 - корпус датчика, на фиг.9 - динамометр, на фиг.10 - основная пластиковая коробка, вид сбоку, на фиг.11 - пластиковая коробка, предназначенная для укладки частей штатива устройства, вид сверху, на фиг.12 - пластиковая коробка, предназначенная для укладки дополнительных динамометров, вид сверху. На фиг.13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 представлены поясняющие фрагменты проведения лабораторных работ. На фиг.13 - фрагмент устройства в сборе для изучения работы неподвижного шкива, на фиг.14 - фрагмент устройства в сборе для изучения работы подвижного шкива, на фиг.15 - фрагмент устройства в сборе для определения КПД при подъеме тела по наклонной плоскости, на фиг.16 - фрагмент устройства в сборе для изучения «золотого правила» механики, на фиг.17 - фрагмент устройства в сборе для измерения скорости неравномерного движения, на фиг.18 - фрагмент устройства в сборе для изучения движения тела, брошенного горизонтально, на фиг.19 - фрагмент устройства в сборе для определения ускорения.
Устройство для проведения лабораторных работ включает магнитное основание 1, основную беговую дорожку 2 в виде желоба с вертикальными стенками 3 и 4, линейной шкалой 5 и продольной магнитной полосой 6, каретку 7 с глухими отверстиями 8, подвижный шкив 9 и неподвижный шкив 10, секундомер 11, парные датчики 12, разборный штатив в виде вертикального стержня 13, горизонтального стержня 14 и основания 15 с отверстием 16 для стержня 13 и гайкой-барашком 17, крестообразную муфту 18 с перемещаемыми винтовыми осями 19 и С-образными зажимами, грузы 20, динамометр 21, цилиндрическую пружину 22 с крючками 23 на концах и двухрожковым флажком 24, рычаг 25 с продольно расположенными отверстиями 26 и балансирами 43, контактно-чувствительный экран 27, шарик стальной 28, пластиковый коврик 29, подвесные крючки 30, нить 31.
Основная беговая дорожка 2 снабжена боковой горизонтальной продольной полкой 32 с овальным отверстием 33, примыкающей к стенке 3. Овальное отверстие 33 выполнено в полке 32 на большем продольном расстоянии от одного края, чем от другого. Отношение этих расстояний а к b находится в диапазоне 0,73÷0,63. Внешняя сторона основания основной беговой дорожки снабжена дополнительной беговой дорожкой, выполненной в виде двух параллельных вертикальных направляющих 34 и 35 с трамплинами 36 на их свободных концах, и двумя вертикальными ребрами 37, 38, расположенными по разные стороны от дополнительной беговой дорожки. Каждый верхний торец вертикальных ребер 37, 38 выполнен криволинейно-вогнутым в центральной части 39, примыкающим к ней с двух сторон прямолинейными участками 40, и примыкающим к одному прямолинейному участку скосом 41, со стороны, противоположной трамплину 36. Вертикальные направляющие 34, 35 выполнены меньшей высоты, чем высота вертикальных ребер 37, 38 на прямолинейных участках 40, на которых выполнены выемки 42 и в зоне которых примыкают опорные площадки 44 с магнитными вставками 45, а скосы 41 каждого ребра соединены двумя перпендикулярными плоскими перемычками 46.
Каретка 7 снабжена двумя зацепами 47, расположенными с противоположных ее торцов и выполненными в виде плоских вертикальных ребер со сквозным отверстием 48, и дополнительным плоским боковым выступом 49 с магнитной вставкой 50 на его верхней стороне. Грузы 20 выполнены в виде параллелепипедов с сопрягаемыми между собой торцевыми зацепами. На одном торце груза 20 зацеп 52 выполнен Т-образной формы с отверстием 53 для подвешивания грузов крючками 30, а на другом торце зацеп 54 имеет сквозной Т-образный паз, ниже которого выполнен ограничитель 55. На нижней плоскости основания груза 20 выполнен цилиндрический фиксатор 56, сопрягаемый с глухими отверстиями 8 каретки 7. Секундомер 11 снабжен электронным табло 57 и штекером 58 для присоединения разъема 59 спаренных датчиков 12. Каждый датчик 12 выполнен в виде нормально разомкнутого магнитоуправляемого контакт-геркона 51, установленного в зоне окна 63 на внутренней стороне крышки 60, закрепляемой на коробчатом корпусе 61, снаружи крышка 60 снабжена магнитной полоской 62. Пружина 22 выполнена с крючками 23 на концах, снабжена двухрожковым флажком 24 и предназначена для изучения коэффициента жесткости пружин.
В некоторых случаях, когда требуется высокая точность измерений, устройство дополнительно комплектуется дополнительным динамометром 65, снабженным корпусом 66 в виде полого прозрачного цилиндра с заглушками 67 и 68 на торцах. Торец заглушки 67, расположенный внутри корпуса 66, снабжен хвостовиком 69 с отверстием 70, в которое входит петля 71 измерительной пружины 72, второй конец которой снабжен подвешенным штоком 73. Пластиковая заглушка 68 выполнена с отверстием 74 для свободного продольного перемещения в нем штока 73 пружины 72. На заглушке 67 закреплен держатель 75, проходящий сквозь поперечное отверстие в корпусе 66 и фиксирующий заглушку 67 относительно корпуса 66 динамометра 65, а заглушка 67 дополнительно подтягивается гайкой 76 за резьбовой хвостовик 77 заглушки 67. Шток 73 заканчивается петлей 78.
Устройство для проведения лабораторных работ снабжено основной переносной пластиковой коробкой 79, см. фиг.1, 10 и дополнительными 80, 81, все коробки снабжены вкладышами 82, 83, 84, как коробки, так и вкладыши выполнены из кислотоустойчивого материала, причем вкладыши выполнены с ложементами, соответствующими профилю укладываемых элементов устройства. Основная коробка 79 предназначена для укладки основных элементов устройства. Другая пластиковая коробка 80 со своим вкладышем 83 предназначена для укладки стержней 13, 14 и оснований 15 нескольких штативов одновременно, а третья коробка 81 с вкладышем 84 - для укладки дополнительных динамометров 65. Для удобства рассмотрения на фиг.11, 12 нумерация ложементов соответствует нумерации элементов устройства, которые в него укладывают. Устройство снабжено методическими указаниями (на чертеже не показаны) по проведению лабораторных заданий.
Пластиковые коробки 79, 80 и 81 выполнены с горизонтальной ступенчатой отбортовкой 86 по всему периметру верхних кромок стенок 87 коробок. Каждая стенка 87 имеет на внешней стороне вертикальные выступы 88, обеспечивающие жесткость, а каждый вкладыш 82, 83, 84 с отбортовкой 89, взаимодействующей со ступенькой 64 отбортовки 86. При вкладывании вкладышей в коробки вкладыши опираются своими отбортовками 89 на ступеньку 64 отбортовок 86, а днища ложементов вкладышей устанавливаются на дно коробок 79, 80 и 81.
Устройство для проведения лабораторных работ используется для проведения разнообразных опытов по изучению законов физики, механики, динамики. Его конструкция, взаимосвязанность элементов и комплектация пластиковых коробок 79, 80 и 81 позволяет быстро распределять приборы между учащимися, собирать и разбирать устройство в разных видах и для проведения различных опытов, а по окончании опыта быстро укладывать элементы устройства в коробки и переходить к другим занятиям. Коробки выполнены из прочного легкого пластика, а распределение элементов устройства по коробкам рассчитано на то, что любой ученик сможет легко поднять коробку, не нарушая требований техники безопасности, заключающихся в ограничении по весу. Ложементы вкладышей соответствуют профилю укладываемых элементов устройства, поэтому ученики не тратят время на то, чтобы найти место, куда укладывать прибор. После укладывания элементов устройства в коробки каждая из них сверху устанавливается на предыдущую таким образом, что выступы 88 основной коробки нижними торцами опираются на отбортовку вкладышей нижней коробки. В результате каждая верхняя коробка служит крышкой для нижней, а каждая нижняя коробка служит опорой для верхней.
Устройство работает следующим образом. В соответствии с методическими указаниями по проведению того или иного опыта учащиеся из коробок отбирают необходимые элементы устройства и подготавливают, т.е. собирают их, для проведения опыта. Приведем несколько примеров.
На фиг.13 представлено устройство в сборе для изучения работы неподвижного шкива 10. Собирают штатив, на вертикальном стержне 13 устанавливают крестообразную муфту 18, закрепляют в ней неподвижный шкив 10, перекидывают нить 31, на одном конце которой подвешивают груз 20, а на другом - динамометр 21. Поскольку грузы 20 выполнены в виде параллелепипедов с сопрягаемыми между собой захватами, увеличение количества грузов выполняется в опыте легким движением руки, не требует ни времени, ни дополнительных усилий на сборку. В соответствии с методическими руководствами выполняют работу при изменении количества грузов и измеряют показания динамометра
1
На фиг.14 показано устройство в сборе для изучения работы подвижного шкива 9. К подвижному шкиву 9 подвешен крючок 30 с грузом 20. Переоборудование устройства производится легко и просто, т.к. для данного опыта требуется только замена неподвижного шкива 10 на подвижный шкив 9. Вначале учащиеся определяют величину силы f и ее направление с использованием подвижного шкива 9, а затем сравнивают эти показатели с показателями предыдущего опыта, при этом используют линейную шкалу беговой дорожки 2 для измерения высоты перемещения груза.
Наличие выемок 42 на ребрах 37, 38 дает возможность устанавливать беговую дорожку под наклоном, с опорой выемками 42 на горизонтальном стержне 14 штатива, а скосами 41 опирается на горизонтальную поверхность.
На фиг.15 изображено устройство в сборе для определения КПД при подъеме тела по наклонной плоскости. В этом опыте учащиеся при монтаже устройства используют стержень 14, беговую дорожку 2 и установленную в ней каретку 7, в глухое отверстие 8 которой сверху установлен груз 20. Поскольку каретка 7 снабжена двумя зацепами 47, расположенными с противоположных ее сторон со сквозным отверстием 48, то в отверстие зацепа каретки 7 присоединяют крючок динамометра 21, по которому определяют силу тяги. В этом опыте учащиеся, применяя навыки, полученные при проведении предыдущих опытов, легко собирают необходимую конструкцию. Определив вес каретки, грузов, высоту подъема каретки, учащиеся определяют работу при вертикальном подъеме, силу тяги и КПД беговой дорожки.
При изучения «золотого правила» механики учащиеся собирают устройство, представленное на фиг.16. В этом опыте дополнительно используется рычаг 25. Перемещая балансиры 43 вдоль рычага 25, учащиеся находят его горизонтальное положение. К одному из отверстий 26 рычага 25 подвешивают грузы 20, а к другому присоединяют динамометр 21. Изменяя положение грузов 20 и динамометра 21, учащиеся определяют силу тяжести и величину работы по подъему грузов. При проведении опытов, связанных с использованием динамометров, большое значение имеет точность измерительного прибора. Поэтому после серии опытов с обычным простым динамометром 21 учащимся раздают коробки 81 с дополнительными динамометрами 65, имеющими более точную измерительную систему, после чего опыты повторяют в той же последовательности. Полученные значения учащиеся сравнивают с предыдущими и вычисляют погрешность измерений. Использование динамометра 65 с прозрачным корпусом позволяет повысить универсальность устройства и расширить его функциональные возможности, не меняя его конструкцию и комплектацию.
На фиг.17 изображено устройство в сборе для измерения скорости неравномерного движения. В этом опыте дополнительно используются секундомер 11 со спаренными магнитоуправляемыми датчиками 12. Благодаря наличию на каретке бокового выступа 49 с магнитной вставкой 50, которая, проходя мимо датчиков, замыкает их, а секундомер фиксирует время перемещения каретки. Учащиеся измеряют расстояние между датчиками 12, производят несколько пусков каретки 7, а затем определяют ее скорость. Снабжение секундомера 11 электронным табло 57 и штекером 58 для соединения разъема 59 датчиков 12 с пластмассовыми корпусами с магнитоуправляемыми контакт-герконами 51 дает возможность повысить точность измерений движения каретки 7.
На фиг.18 представлено устройство в сборе для изучения движения тела, брошенного горизонтально. Учащиеся используют многофункциональную беговую дорожку 2 и устанавливают ее на вертикальном стержне 13 посредством овального отверстия 33 полки 32 таким образом, чтобы дополнительная беговая дорожка оказалась сверху. Благодаря асимметричному расположению отверстия и его овальности дополнительная беговая дорожка вывешивается на стержне 13 под углом к плоскости стола так, что трамплин 36 вертикальных направляющих 34 обеспечивает горизонтальное движение стального шара 28 в начальный момент падения в сторону контактно-чувствительного экрана 27. Стальной шарик 28 устанавливают на дополнительную беговую дорожку. При движении по вертикальным направляющим 34, 35 он вначале набирает скорость, а потом переходит в горизонтальное движение в зоне трамплина 36 и, падая, отрывается от него. На экране 27 остается след от удара шара 28. Измеряя дальность полета шарика 28 и высоту падения, учащиеся определяют расчетные зависимости.
На фиг.19 изображено устройство в сборе для определения ускорения движения каретки по горизонтально расположенной основной беговой дорожке в результате действия на нее силы при различной массе каретки. Каретку устанавливают на магнитном основании, а наличие опорных площадок 44 с магнитными вставками 45 дает возможность устанавливать беговую дорожку на намагниченное основание, жестко, фиксируя беговую дорожку в нужном положении.
После проведения опытов каждый ученик укладывает свой комплект элементов устройства в основную коробку 79, а элементы штатива укладывают в коробку 80, а динамометры 65 располагают в отдельной коробке 81.
Таким образом, заявленное изобретение решает техническую задачу расширения функциональных возможностей и универсальности устройства для проведения лабораторных работ, в том числе и увеличения аудитории, непосредственно вовлеченной в одновременное выполнение разных лабораторных заданий, а также упрощения сборки-разборки, распределения устройств между учениками и удобства последующей укладки на хранение. Благодаря удобной конструкции переносных коробок среди учащихся быстро распределяются нужные коробки и приборы, учащиеся легко и быстро собирают устройство в той комплектации, которая требуется для данного опыта. Их сборка и разборка занимают мало времени. Поэтому на протяжении урока у преподавателя есть возможность провести несколько опытов, для которых требуется то же устройство для проведения лабораторных работ в измененной комплектации.