电磁式平抛竖落仪

何宇川

平抛竖落仪是用来演示平抛与自由落体运动等时性的仪器，它结构简单，实验现象直观，但存在稳定性差、竖落球夹持不便等缺点。

我对实验室现有的J2128、J04228 2128、21065三种型号的平抛竖落仪进行了对比分析，对平抛球和竖落球的运动和误差来源做了细致的研究。

J2128型的球托比较平整，只要球托与水平面保持平行就能保证平抛球的初速度是水平的，但过于平滑的球托导致平抛球不易放置，稳定性差。竖落球夹持时要与平抛球保持同一高度，不锈钢球易滑落，若换用玻璃球又易破碎。

对于J04228 2128型来说，平抛球运动误差的产生是因为球托不水平而产生的阻力影响了平抛球的初速度。若让球托保持水平又会影响其稳定性。

改进后的21065型因为有了铁梢的支撑弹力而更加稳定。铁梢对小球的作用力使平抛球先沿圆弧向上运动，再沿切线方向飞出做斜上抛运动，两个小球都斜上抛。

由此看出，现有平抛竖落仪都存在缺陷。于是我设计制作了一款电磁式平抛竖落仪。

一、结构设计

设计电路如图1 所示，结构整体设计如图2所示，成品装置如图3所示。

实验时，固定装置后将平抛球置于球托上，接通电路，电磁铁吸住竖落球，调节电磁铁高度，使两球高度相同。拉动弹性金属片，弹出平抛球，开关在弹力的作用下被弹开，电路断开，同时竖落球自由落下，可听到两个小球同时落地的声音。

改变弹性金属片的角度、平抛球初速度，仍然得到相同的结果，由此表明，平抛运动的竖直分运动是自由落体运动，且两个方向上的运动互不影响。

在该装置的设计中，我对其中的弹簧开关进行了创新。

最初金屬片上的球托设计成“О”形，虽然便于放置平抛球，但小球飞出时，由于“О”形边阻力作用造成小球一定程度地斜上抛。我将其改为较光滑的“U”形设计后，“U”形槽两边对小球的阻力并不影响小球平抛运动的方向，消除了金属边对小球阻力的影响，只要球托水平，就能保证小球做平抛运动。

我加了9mm塑料垫将上金属片垫高，并使金属针露出矩形框的高度也是9mm，这样就能保证上金属片在放置平抛球后与矩形框下边平行。

为使弹簧形变效果明显，我选择劲度系数为2.5N/M的弹簧；为使小球受力均匀、球托水平，选择弹簧直径是1.5cm，与上金属片宽度接近，并将其固定在球托下方。

为保证电路闭合前弹簧和下金属片处于绝缘状态，上方用塑料片固定弹簧，将塑料片、金属针、下金属片固定在底座，使金属针处于弹簧中央，与弹簧绝缘。

该装置可通过高弹性金属片的拉伸幅度控制平抛球的初速度。为了增加平抛球的初速度，在弹性尺末端加一个质量为60g的铅块，增大弹性尺的撞击动量。

二、性能测试

1.稳定性测试

将装置固定在桌面，将平抛球置于球托，闭合电路，竖落球被电磁铁吸住。用220V、50HZ的家用按摩器“low”和“high”两个挡位分别给桌面施加振动，持续1min，装置丝毫不受影响，说明其具有较好的稳定性。

2.直流电磁铁对竖落球吸引力测试

由于交流电大小和方向时刻改变，交流电磁铁热效应显著，能耗较大，所以考虑选用直流电磁铁。

选用螺丝钉做铁心，接3V至6 V直流电源。通过实验检测，用2节5号干电池做电源，通电情况下最大可吸住质量约87g 的不锈钢球；用4V学生电源直流挡最大可吸住56g的不锈钢球。

三、创新点

1.避免了传统平抛竖落仪中存在的缺陷，其中弹簧开关的设计是首创，“U”形球托的设计具有原创性。

2.设计巧妙，成本低，改变了传统机械式工作方式，提高了实验效率。（指导老师：张咏梅 张健）