電磁式平拋豎落儀

何宇川

平拋豎落儀是用來(lái)演示平拋與自由落體運(yùn)動(dòng)等時(shí)性的儀器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀，但存在穩(wěn)定性差、豎落球夾持不便等缺點(diǎn)。

我對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的J2128、J04228 2128、21065三種型號(hào)的平拋豎落儀進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)平拋球和豎落球的運(yùn)動(dòng)和誤差來(lái)源做了細(xì)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(guò)于平滑的球托導(dǎo)致平拋球不易放置，穩(wěn)定性差。豎落球夾持時(shí)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(duì)于J04228 2128型來(lái)說(shuō)，平拋球運(yùn)動(dòng)誤差的產(chǎn)生是因?yàn)榍蛲胁凰蕉a(chǎn)生的阻力影響了平拋球的初速度。若讓球托保持水平又會(huì)影響其穩(wěn)定性。

改進(jìn)后的21065型因?yàn)橛辛髓F梢的支撐彈力而更加穩(wěn)定。鐵梢對(duì)小球的作用力使平拋球先沿圓弧向上運(yùn)動(dòng)，再沿切線方向飛出做斜上拋運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)小球都斜上拋。

由此看出，現(xiàn)有平拋豎落儀都存在缺陷。于是我設(shè)計(jì)制作了一款電磁式平拋豎落儀。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電路如圖1 所示，結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)如圖2所示，成品裝置如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(diào)節(jié)電磁鐵高度，使兩球高度相同。拉動(dòng)彈性金屬片，彈出平拋球，開(kāi)關(guān)在彈力的作用下被彈開(kāi)，電路斷開(kāi)，同時(shí)豎落球自由落下，可聽(tīng)到兩個(gè)小球同時(shí)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(jié)果，由此表明，平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)，且兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)互不影響。

在該裝置的設(shè)計(jì)中，我對(duì)其中的彈簧開(kāi)關(guān)進(jìn)行了創(chuàng)新。

最初金屬片上的球托設(shè)計(jì)成“О”形，雖然便于放置平拋球，但小球飛出時(shí)，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(shè)計(jì)后，“U”形槽兩邊對(duì)小球的阻力并不影響小球平拋運(yùn)動(dòng)的方向，消除了金屬邊對(duì)小球阻力的影響，只要球托水平，就能保證小球做平拋運(yùn)動(dòng)。

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(shù)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(tài)，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(guò)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(gè)質(zhì)量為60g的鉛塊，增大彈性尺的撞擊動(dòng)量。

二、性能測(cè)試

1.穩(wěn)定性測(cè)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“l(fā)ow”和“high”兩個(gè)擋位分別給桌面施加振動(dòng)，持續(xù)1min，裝置絲毫不受影響，說(shuō)明其具有較好的穩(wěn)定性。

2.直流電磁鐵對(duì)豎落球吸引力測(cè)試

由于交流電大小和方向時(shí)刻改變，交流電磁鐵熱效應(yīng)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6 V直流電源。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，用2節(jié)5號(hào)干電池做電源，通電情況下最大可吸住質(zhì)量約87g 的不銹鋼球；用4V學(xué)生電源直流擋最大可吸住56g的不銹鋼球。

三、創(chuàng)新點(diǎn)

1.避免了傳統(tǒng)平拋豎落儀中存在的缺陷，其中彈簧開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)是首創(chuàng)，“U”形球托的設(shè)計(jì)具有原創(chuàng)性。

2.設(shè)計(jì)巧妙，成本低，改變了傳統(tǒng)機(jī)械式工作方式，提高了實(shí)驗(yàn)效率。（指導(dǎo)老師：張?jiān)伱?張健）