Приборы по статике. Механическая модель электрической цепи

На рисунках 8, 10, 11 и 12 показан общий вид приборов по статике на разложение сил.

Приборы действуют по одному принципу, поэтому расскажем об одном из них (рис. 8). На деревянном штативе смонтирован шарнирный кронштейн АВС. Стержни AB и АС сделаны из алюминиевых трубок и соединены между собой шарнирно. Рассмотрим стержень АС. В точке С он соединен шарнирно с концом подвижной стрелки СЕ, которая укреплена на оси в точке D (рис. 9). При нагрузке отклонение стрелки тормозится пружиной F.

Угол между подвижной и неподвижной стрелками отсчитывается по шкале. Он указывает величину силы, растягивающей стержень АС. Стержень AB соединен с концом верхней стрелки. При нагрузке стрелка также отклоняется, но только в противоположную сторону. Это указывает на то, что стержень АС сжимается (работает на сжатие), а стержень AB растягивается.

Для обеспечения одинаковых условий нагрузки на обе стрелки конец верхней стрелки изогнут так, что в нулевом положении (т. е. без нагрузки, когда подвижная и неподвижная стрелки совпадают) звено составляет прямой угол со стержнем AB.

Сравнивая показания отклонений верхней и нижней стрелок, можно сделать вывод о величине и направлении сил, действующих на стержни.

На рисунках 10 и 11 изображены другие варианты балочных систем. На рисунке 12 показан прибор для определения нагрузок для случая гибкой связи. Груз можно перемещать вдоль шнура и демонстрировать изменение составляющих сил в зависимости от углов а и ß.

Механическая модель электрической цепи. Этот прибор (рис. 13) позволяет методом аналогии наглядно продемонстрировать процессы, происходящие в цепи электрического тока. Основные детали: 1 — «источник тока»; с — звездочка, жестко посаженная на ось рукоятки 2; стальные шарики-«электроны» заполняют около половины всей цепи; 3 — металлическая пластинка, направляющая движение шариков внутри «источника тока»; передняя стенка из оргстекла; задняя стенка из текстолита; деревянная пластинка в форме четверти круга, служащая для ограничения движения шариков сверху; abc — «внешняя электрическая цепь»; b — звездочка — «потребитель тока»; d — стойки для укрепления «электрической цепи»; Е —; монтажная платформа.

При вращении рукоятки 2 звездочка с перемещает шарики в левый верхний угол, сообщая им запас потенциальной энергии. Шарики под действием внешней силы движутся против сил земного тяготения. Энергия вращения преобразуется в запас потенциальной энергии шариков.

Аналогия. Сторонние силы перемещают заряды внутри источника тока, создавая запас электрической энергии. Заряды внутри источника тока движутся против сил электрического поля. За счет какого-либо вида энергии создается запас электрической энергии.

Попадая во «внешнюю цепь», шарики вследствие наклона желобка скатываются, расходуя запас потенциальной энергии. На низшая точка «внешней цепи» — «отрицательный полюс» источника тока (точка с). В этой точке шарики полностью расходуют свой запас потенциальной энергии. Во внешней цепи, где поставлен «потребитель тока», наклон желоба резко увеличен. Отдавая часть энергии, шарики вращают звездочку-потребитель.

Аналогия. Во внешней цепи расходуется запас электрической энергии, превращаясь в другой вид энергии. На участке с потребителем наблюдается более резкое падение напряжения. На полюсах источника тока при замкнутой цепи — наибольшая разность потенциалов во внешней цепи.

На модели можно показать отличие между скоростью распространения электрического тока и скоростью движения электронов. Наглядно демонстрируется смысл размыкания цепи. Поставив на пути движения шариков волосяную щетку, можно продемонстрировать влияние сопротивления на электрический ток в цепи.