УЧЕБНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ МОДЕЛЬ

Полезная модель относится к учебным моделям для демонстрации строения тела в твердом состоянии, моделирования кристаллической структуры, упругости, атмосферного давления, демонстрации продольных и поперечных волн.
Известна учебная модель атомов, содержащая световое табло с лампами, отражающими число протонов, нейтронов и электронов, соответствующих таблице Менделеева (см. авторское свидетельство SU на изобретение №792277, Кл. G09В 5/00, oп. в 1980 г.). Эта учебная модель имеет высокие демонстрационные возможности, но является сложной и энергоемкой. Эта модель не может быть использована для развития прикладных навыков у обучающихся, т.к. они не участвуют в сборке деталей учебной модели.
Известна учебная модель строения атомов, содержащая световое табло с индикаторами числа протонов и нейтронов, индикаторами орбит электронов, индикаторами энергетических уровней и электронных облаков, связанные с блоком питания (см. авторское свидетельство SU на изобретение №1117680, Кл. G09В 5/00, oп. в 1984 г.). Эта учебная модель обладает более высокими демонстрационными возможностями, однако также как и предыдущая, является сложной и энергоемкой, не может быть эффективно использована для развития прикладных навыков у обучающихся.
Известна учебно-динамическая модель по изучению сопротивлению материалов и строительной механике, содержащая стержень с шарнирно-подвижной и неподвижной опорами и грузами, а также шарнирно соединенные между собой и со стержнем раскосы (см. авторское свидетельство SU на изобретение №631974, Кл. G09В 23/06, oп. в 1978 г.). Эта модель используется для демонстрации динамических явлений в нагруженных конструкциях. Ее учебные возможности ограничены конструктивными элементами и не могут быть использованы для других учебных опытов.
Наиболее близким техническим решением является учебная модель молекулярной структуры, содержащая модули, имитирующие строение химических элементов, средства их взаимной пространственной ориентации и средства, имитирующие валентные связи, с зажимами (см. А.С. SU на изобретение №1201868, Кл. G09В 23/26, oп. в 1985 г.). Эта учебная модель имеет больше прикладных возможностей, чем описанные выше модели, поскольку учащиеся могут вручную собрать разные комбинации химических элементов. Однако известная модель не может использоваться для демонстрации упругости, атмосферного давления, продольных и поперечных волн.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи повышения универсальности учебной молекулярной модели при улучшении се эксплуатационных характеристик, упрощении сборки-разборки в учебных условиях, повышении прочности используемых элементов и собранных конструкций, увеличении диапазона демонстрационных возможностей.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в учебной молекулярной модели, содержащей модули, имитирующие составной элемент молекулы, средства их взаимной пространственной ориентации и средства, имитирующие валентные связи, с зажимами, модуль, имитирующий составной элемент молекулы, выполнен в виде шарообразного образца атома, состоящего из двух примыкающих друг к другу полусфер со сквозными отверстиями в днище и с цилиндрическими стаканами во внутренней полости, выполненными со ступенчатой по внешней поверхности образующей, при этом внутренние полости стаканов примыкают к сквозным отверстиям в днище, причем образец атома снабжен шестью фиксаторами для средств, имитирующих валентные связи, выполненными с упорами в виде отбортовок на вертикальных по отношению к касательной полусферы гранях и расположенными на внешней поверхности полусфер, при этом оси фиксаторов расположены под углом 90° друг к другу, причем часть фиксаторов, расположенных в зоне примыкания полусфер, снабжена замковыми механизмами, а полусферы снабжены выпуклостями и симметрично им расположенными впадинами, расположенными на примыкающих друг к другу ребрах полусфер, при этом фиксаторы, расположенные в зоне отверстий днища полусфер, выполнены укороченными и расположены с обеих сторон от отверстия в днище. Фиксаторы для средств, имитирующих валентные связи, выполнены в виде параллелепипедов, примыкающих к поверхности полусфер, с упорами, расположенными на меньших гранях. Замковый механизм части фиксаторов выполнен в виде перпендикулярно расположенного к ребру полусферы язычка с зацепом и симметрично расположенного соответствующего форме сечения язычка отверстия на противоположной стороне ребра полусферы. Днище полусфер снабжено дополнительными отверстиями, расположенными с обеих сторон основного отверстия в зоне, примыкающей к фиксаторам с внешней стороны. Часть средств, имитирующих валентные связи, выполнена в виде имитаторов сильных и слабых связей. Часть средств, имитирующих валентные связи, выполнена в виде объемных пружин.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 изображен разборный образец атома. На фиг.2 - то же, вид со стороны днища полусферы. На фиг.3 - полусфера, вид во внутреннюю полость. На фиг.4 - полусфера, вид сбоку. На фиг.5 - учебная молекулярная модель в сборе для иллюстрации продольных волн. На фиг.6 - учебная молекулярная модель в сборе для иллюстрации поперечных волн. На фиг.7 - учебная молекулярная модель в сборе для иллюстрации атмосферного давления. На фиг.8 - учебная молекулярная модель в сборе для иллюстрации кристаллической структуры. На фиг.9 - то же, вид сбоку.
Учебная молекулярная модель содержит разборные шарообразные образцы атома 1, средства, имитирующие валентные связи: имитаторы 2 сильных связей, имитаторы 3 слабых связей, имитатор продольных волн, выполненный в виде стержня 4, имитаторы упругих связей, выполненные в виде объемных пружин 5 и грузы для увеличения атомной массы (на рисунке не показано). Разборный образец атома 1 состоит из двух идентичных полусфер 6 и 7, примыкающих друг к другу с разворотом вокруг своей оси на 180°. Каждая полусфера 6 и 7 выполнена из легкого прочного пластика и имеет по одному сквозному отверстию 8 в своем днище. Во внутренней полости каждой полусферы 6 и 7 расположен цилиндрический стакан 9, выполненный со ступенчатой по внешней поверхности образующей. Ступенчатая образующая стакана 9 представлена связанными в единое целое цилиндром 10 малого диаметра и цилиндром 11 большего диаметра. Стакан 9 примыкает к внутренней поверхности полусфер 6 и 7, а его круглая в сечении внутренняя полость 12 примыкает к сквозному отверстию 8 в днище и имеет такой же диаметр, как диаметр отверстия 8. Шарообразный образец атома 1 снабжен шестью фиксаторами 13 для средств, имитирующих валентные связи. Фиксаторы 13 выполнены в виде параллелепипедов, примыкающих к внешней поверхности полусфер 6 и 7, с упорами 14, выполненными в виде отбортовки, расположенной на меньших вертикальных по отношению к касательной полусферы гранях параллелепипеда. Оси фиксаторов 13 расположены друг к другу под углом α равным 90°.
Часть фиксаторов 13, расположенных в зоне примыкания - на ребрах 15 полусфер 6 и 7, снабжена замковыми механизмами. Замковый механизм этих фиксаторов 13 выполнен в виде перпендикулярно расположенного к ребру 15 полусферы 6 и 7 язычка 16 с зацепом 17 и симметрично расположенного соответствующего форме сечения язычка 16 отверстия 18 на противоположной стороне ребра 15 полусферы 6 или 7. На каждой полусфере 6 и 7 имеется по одному язычку 16 и расположенному напротив отверстию 18. Фиксаторы 13, расположенные в зоне отверстий 8 днища полусфер 6 и 7, выполнены укороченными и расположены с обеих сторон от отверстия 8. Днище полусфер 6 и 7 снабжено дополнительными отверстиями 19, расположенными с обеих сторон основного отверстия 8 в зоне, примыкающей к укороченным фиксаторам 13 с их внешней стороны. На поверхности примыкающих друг к другу ребер полусфер 6 и 7 расположены выпуклости 20 и симметрично им расположенные впадины 21, предназначенные для надежной фиксации соосности полусфер 6 и 7. В местах расположения фиксаторов 13 поверхность полусфер 6 и 7 выполнена с небольшими плоскими площадками 22. Ступенька 23 цилиндрического стакана 9 во внутренней полости полусфер 6 и 7 служит в качестве упора для фиксации грузов, предназначенных для увеличения атомной массы (на рисунке не показано).
Для имитации продольных волн на стержне 4 располагают шарообразные образцы атома 1, утяжеленные грузом, а между ними располагают пружины 24 имитатора 3 слабых связей. На концах стержня 4 закреплены фиксирующие колпачки 25.
Учебная молекулярная модель используется следующим образом. Вначале собирают шарообразный образец атома 1. Для этого две полусферы 6 и 7 прикладывают друг к другу ребрами 15 таким образом, чтобы выпуклости 20 совместились с симметрично им расположенными впадинами 21. Язычок 16 полусферы 6 совмещают с отверстием 18 полусферы 7, а язычок 16 полусферы 7 совмещают с отверстием 18 полусферы 6. При необходимости перед смыканием полусфер 6 и 7 в их внутреннюю полость вкладывают грузы, соответствующие заданной атомарной массе (на рисунке не показано). После смыкания полусфер 6 и 7 защелкивают зацепы 17 в отверстиях 18. Эти элементы обеспечивают соосность отверстий 8 и стаканов 9, а также надежную фиксацию полусфер 6 и 7 с образованием шарообразного образца атома 1.
При сборе учебной модели, изображенной на фиг.5, используют имитаторы 2 сильных связей, выполненные в виде пружин повышенной жесткости. Торцы пружин повышенной жесткости имитаторов 2 одевают на фиксаторы 13. Упоры 14 фиксаторов 13 надежно фиксируют пружины имитаторов 2 на поверхности полусфер 6 и 7. Собранную модель держат с двух сторон за образцы атомов 1 и периодически растягивают в горизонтальном направлении. Взаимное расположение образцов атомов 1 и расстояние между ними отражает поведение реальных длинномерных молекулярных структур с сильными связями. Условия демонстрации данного опыта можно изменить, пропустив через отверстия 8 стержень 4 и заменив пружины имитаторов 2 на пружины 24 имитатора 3 слабых связей. При толчках модели вдоль оси стержня 4 пружины 24 имитатора 3 сжимаются неравномерно, демонстрируя поведение продольных волн.
Модель, изображенную на фиг.6, собирают таким же образом, как модель, изображенную на фиг.5. При этом пружины имитаторов 2 сильных связей заменяют на объемные пружины 5 имитаторов упругих связей, которые отличаются от пружин 24 имитатора 3 большей жесткостью и большей длинной. При растягивании-сжимании этой модели получают имитацию длинномерной молекулярной структуры с упругими связями, иллюстрирующими образование поперечных волн. Для иллюстрации атмосферного давления используют стержень 4, на который нанизывают образцы атомов 1, чередуя их пружинами 24 имитатора 3 слабых связей, и закрепляют с противоположных концов колпачками 25 (см. фиг.7). Вертикальное расположение стержня 4 имитирует поведение связей молекулярных структур и взаиморасположение образцов атомов 1 под действием атмосферного давления.
Для иллюстрации кристаллической структуры используют учебную молекулярную модель, изображенную на фиг.8 и 9. Объемными пружинами 5 образцы атомов 1 соединяют между собой, защелкивая пружины 5 на фиксаторах 13 по трем осям, и получают пространственную кристаллическую структуру, имитирующую реальное состояние вещества при воздействии внешних нагрузок. Изменение взаимного расположения образцов атомов 1 и пружин 5 иллюстрирует процессы, происходящие на молекулярном уровне.
Ученик имеет возможность собирать молекулярные структуры и участвовать в экспериментах с ними, приобретая практические навыки и лучше запоминая предмет изучения. Простая, прочная и надежная сборно-разборная конструкция образцов атомов 1, имитаторов 2 и 3, пружин 5, стержня 4 дает возможность многократно использовать учебную модель в процессе обучения, легко изменяя модель из одного состояния в другое.
Снабжение днищ полусфер 6 и 7 дополнительными отверстиями 19, расположенными с обеих сторон основного отверстия 8 в зоне, примыкающей к укороченным фиксаторам 13 с их внешней стороны, обеспечивает выталкивание воздуха из полостей полусфер 6 и 7, который попадает в полость во время проведения опытов. Наличие выпуклостей 20 и впадин 21 на ребрах 15 полусфер 6 и 7 при их совмещении обеспечивают высокую надежность фиксации полусфер 6 и 7, соосность отверстий 8, стаканов 9, язычков 16 с отверстиями 18, позволяя получать легкую прочную шарообразную модель атома 1.
Таким образом, заявленная полезная модель решает техническую задачу повышения универсальности учебной молекулярной модели при улучшении ее эксплуатационных характеристик, упрощении сборки-разборки в учебных условиях, повышении прочности используемых элементов и собранных конструкций, увеличении диапазона демонстрационных возможностей.