В.П. ЛЯХ Ростовская область
                  ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ  НЕЗАВИСИМОСТИ ДЕЙСТВИЯ СИЛ (журнал "Физика в школе"1994г, стр. 50, 51, 52)

          Прибор заводского изготовления, предназначенный для демонстрации независимости действия сил, много лет используется в школах для показа одновременности падения тела по параболе и вертикали. Телами служат два специальных шарика одинаковой массы (один с отверстием),  распределение скоростей которых определяется закономерностями упругого удара, ко времени демонстрации, как правило, еще не изученного школьниками. К тому же, несмотря на внешнюю простоту прибора наглядность демонстрации и удобство работы с ним весьма ограничены.
            Значительно совершеннее в этом плане наш простой (хотя и требующий электропитания) прибор. Прибор (см. рисунок) представляет собой электромагнит. Катушка 1 намотана эмалированным проводом,  (диаметр его сечения 0,6мм) на картонном каркасе цилиндрической формы (длина 70мм, диаметр  боковин 50мм) до заполнения каркаса. В качестве сердечника 2 используется стальной стержень  (диаметр 12мм), концы которого открыты для механического контакта и выступают на 5мм над торцом катушки. В нем над самой поверхностью боковины сверлится отверстие 3 для крепления конической пружины 4. Коническую пружину несложно сделать из отрезка обычной пружины или из стальной  проволоки диаметром 1,0-1,5мм. Если, к примеру, использовать 30-миллиметровый отрезок пружины  от двухстороннего баллистического пистолета или другую подобной жесткости, то коническую пружину можно сделать с помощью круглогубцев без термической обработки. В общем же случае материал для намотки пружины следует "отпустить" - нагреть докрасна и дать остыть при  комнатной температуре. Наматывать пружину нужно на подходящей конической основе (например, выстроганной из дерева) или без неё с помощью круглогубцев. Один конец пружины длиной 20мм нужно отогнуть по диаметру - он служит для крепления пружины в отверстии 3 сердечника . Размеры пружины могут быть такими: диаметр первого витка 25мм, второго 22, третьего 18, четвертого 16, пятого и шестого по 15мм (каждый виток при сжатии должен укладываться в предыдущий, пружина становиться плоской), длина пружины 40мм. После намотки пружину необходимо закалить - нагреть докрасна и резко остудить, например, в воде). Готовую пружину нужно вставить отогнутым концом в отверстие 3, а выступающий кончик отогнуть (для надежности крепления) пассатижами. Через противоположный торец  катушки выводятся легкие, гибкие провода 5 с наконечниками, служащие для подключения к  источнику питания, которым может быть выпрямитель В-24М или другой достаточной мощности. Катушку электромагнита закрывают плотной бумагой, поверх которой надевают хомут из жести.  Его концы в месте соединения образуют выступ 6, служащий для крепления прибора в штативе. Прибор можно закреплять и на подвесе. Для этой цели в выступе имеется отверстие 7. Опишем некоторые демонстрации с использованием данного прибора.
      Одновременное падение тел по параболе и вертикали. Прибор укрепляют горизонтально в штативе. Включают источник питания (подают постоянное напряжение 12В).На полюсы электромагнита помещают  два стальных предмета одного размера (достаточного для сжатия при этом пружины 5) массой до  100г. Рекомендуем (в том числе из эстетических соображений) использовать шарики от подшипников со слегка опиленной поверхностью для лучшего прилегания к сердечнику. Однако  можно проводить опыт со стальными брусками из набора тел равного объема, стальными шайбами и т.д. После того, как прибор подготовлен к работе, учащимся предлагается кратко объяснить его действие и спрогнозировать характер движения тел после выключения электромагнита. Обычно это сложности не вызывает. Затем питание электромагнита выключают. Одновременно  начинается падение тел, так же одновременно слышны удары тел о крышку стола. В этом же положении  прибор позволяет демонстрировать движение горизонтально брошенного тела (высоту можно менять, перемещая прибор по штативу). Одновременное падение тел различной массы. На прибор, укрепленный в штативе, после включения питания помещают два шарика явно различного объема. Лапку штатива с зажатым прибором  ориентируют таким образом, чтобы нижние точки шариков лежали на одной горизонтали (расстояния от шариков до поверхности стола должны быть одинаковы). После выключения питания электромагнита слышен одновременный удар шариков о крышку стола. Пружину при этом нужно снять или отвести в сторону. Чтобы не наклонять прибор, удобно использовать в качестве тел прямоугольные бруски одной высоты, но разной толщины.
        Движение тела под углом к горизонту. Прибор укрепляют в штативе невысоко над столом так, чтобы торец катушки с пружиной был выше противоположного. Меняя наклон катушки, "выстреливают" демонстрируемое тело, отключая питание электромагнита. Сравнивают пути, проходимые телом по  горизонтали и вертикали (подобно тому, как это делается при использовании баллистического пистолета.
       Реактивное движение, взаимодействие тел различной массы. Прибор подвешивают к штативу на нити. На электромагните укрепляют тело: сначала на полюсе без пружины, а затем после демонстрации его падения, на полюсе с пружиной. Вновь отключают питание и демонстрируют отклонение  прибора. Предлагают ученикам объяснить, почему в первом случае прибор не отклоняется, а в последующем отклонился. Интересен для учащихся такой вопрос: " Будет ли изменяться отклонение прибора при использовании грузиков разной массы?" Обращают их внимание на то, что сила упругости пружины в данном случае постоянна и ускорения тел обратно пропорциональны массам. Имея пружины разной жесткости, можно показать разницу в отклонении прибора при различных силах отбрасывания шариков.
       Измерение времени падения тела. Приближенное измерение времени падения тела можно осуществить, используя прибор вместе со счетчиком импульсов СИЛ-1 (или другим электронным  счетчиком-секундомером, например ССЭШ-63). При этом для пуска счетчика в начальный момент падения тела используется  малогабаритная кнопка-выключатель, имеющая нормально замкнутые и нормально разомкнутые  контакты (можно взять реле с такими парами контактов). Через замкнутые контакты подается  питание на электромагнит, через разомкнутые - включаются пусковые клеммы прибора СИЛ-1 или  аналогичного. При нажатии на кнопку начинается падение тела и запускается секундомер. В момент удара тела о крышку стола кнопка отпускается, и этим фиксируется показание времени. Демонстрацию можно использовать как экспериментальную основу для фронтального решения  задачи на расчет ускорения свободного падения, начальной скорости (при использовании пружины) , угла бросания и др. При этом полезно провести несколько измерений и усреднить результат,  обратить внимание учащихся на погрешность, вносимую кнопкой.
       Если позволяет творческий потенциал учащихся, можно предложить им усовершенствовать  систему фиксации результата (по звуку удара, по механическому воздействию, с помощью  светового луча). Как, правило, идеи всегда есть.
           Предлагаемый прибор может быть изготовлен без всяких проблем в любой школе. Обмоточные данные и геометрические размеры его могут быть самые различные: чем мощнее электромагнит  (соответственно и больше), тем более крупные тела могут с ним использоваться. Наш прибор позволяет применить шарики от упоминавшегося выше прибора заводской конструкции. (Его,  кстати, мы тоже используем при изучении закона сохранения импульса тела для демонстрации  упругого удара и еще раз обращаем внимание учащихся на одновременность падения шариков).

Главная       Публикации      Карта сайта         Список статей          Материалы для уроков