電磁式平拋豎落儀

文山東省齊河縣第一中學高二（3）班 何宇川

平拋豎落儀是用來演示平拋與自由落體運動等時性的儀器，它結構簡單，實驗現象直觀，但存在穩定性差、豎落球夾持不便等缺點。

我對實驗室現有的J2128、J042282128、21065三種型號的平拋豎落儀進行了對比分析，對平拋球和豎落球的運動和誤差來源做了細致的研究。

J2128型的球托比較平整，只要球托與水平面保持平行就能保證平拋球的初速度是水平的，但過于平滑的球托導致平拋球不易放置，穩定性差。豎落球夾持時要與平拋球保持同一高度，不銹鋼球易滑落，若換用玻璃球又易破碎。

對于J042282128型來說，平拋球運動誤差的產生是因為球托不水平而產生的阻力影響了平拋球的初速度。若讓球托保持水平又會影響其穩定性。

改進后的21065型因為有了鐵梢的支撐彈力而更加穩定。鐵梢對小球的作用力使平拋球先沿圓弧向上運動，再沿切線方向飛出做斜上拋運動，兩個小球都斜上拋。

由此看出，現有平拋豎落儀都存在缺陷。于是我設計制作了一款電磁式平拋豎落儀。

一、結構設計

設計電路如圖1所示，結構整體設計如圖2所示，成品裝置如圖3所示。

圖1 電路原理圖

圖3 成品圖

實驗時，固定裝置后將平拋球置于球托上，接通電路，電磁鐵吸住豎落球，調節電磁鐵高度，使兩球高度相同。拉動彈性金屬片，彈出平拋球，開關在彈力的作用下被彈開，電路斷開，同時豎落球自由落下，可聽到兩個小球同時落地的聲音。

改變彈性金屬片的角度、平拋球初速度，仍然得到相同的結果，由此表明，平拋運動的豎直分運動是自由落體運動，且兩個方向上的運動互不影響。

在該裝置的設計中，我對其中的彈簧開關進行了創新。

最初金屬片上的球托設計成“О”形，雖然便于放置平拋球，但小球飛出時，由于“О”形邊阻力作用造成小球一定程度地斜上拋。我將其改為較光滑的“U”形設計后，“U”形槽兩邊對小球的阻力并不影響小球平拋運動的方向，消除了金屬邊對小球阻力的影響，只要球托水平，就能保證小球做平拋運動。

我加了9mm塑料墊將上金屬片墊高，并使金屬針露出矩形框的高度也是9mm，這樣就能保證上金屬片在放置平拋球后與矩形框下邊平行。

為使彈簧形變效果明顯，我選擇勁度系數為2.5N/M的彈簧；為使小球受力均勻、球托水平，選擇彈簧直徑是1.5cm，與上金屬片寬度接近，并將其固定在球托下方。

為保證電路閉合前彈簧和下金屬片處于絕緣狀態，上方用塑料片固定彈簧，將塑料片、金屬針、下金屬片固定在底座，使金屬針處于彈簧中央，與彈簧絕緣。

該裝置可通過高彈性金屬片的拉伸幅度控制平拋球的初速度。為了增加平拋球的初速度，在彈性尺末端加一個質量為60g的鉛塊，增大彈性尺的撞擊動量。

二、性能測試

1.穩定性測試

將裝置固定在桌面，將平拋球置于球托，閉合電路，豎落球被電磁鐵吸住。用220V、50HZ的家用按摩器“low”和“high”兩個擋位分別給桌面施加振動，持續1min，裝置絲毫不受影響，說明其具有較好的穩定性。

2.直流電磁鐵對豎落球吸引力測試

由于交流電大小和方向時刻改變，交流電磁鐵熱效應顯著，能耗較大，所以考慮選用直流電磁鐵。

選用螺絲釘做鐵心，接3V至6V直流電源。通過實驗檢測，用2節5號干電池做電源，通電情況下最大可吸住質量約87g的不銹鋼球；用4V學生電源直流擋最大可吸住56g的不銹鋼球。

三、創新點

1.避免了傳統平拋豎落儀中存在的缺陷，其中彈簧開關的設計是首創，“U”形球托的設計具有原創性。

2.設計巧妙，成本低，改變了傳統機械式工作方式，提高了實驗效率。（指導老師：張詠梅 張健）