測(cè)量細(xì)線最大拉力的方法

(江蘇省建湖高級(jí)中學(xué)，江蘇 鹽城 224700)

在一些實(shí)際問題中，經(jīng)常會(huì)遇到測(cè)量繩子或細(xì)線能承受的最大拉力.由于細(xì)線的最大拉力是在細(xì)線即將斷開時(shí)出現(xiàn)的，這個(gè)時(shí)機(jī)很難把握，要測(cè)量這個(gè)時(shí)刻的拉力，需要用特殊的方法.為了測(cè)量最大拉力時(shí)，筆者在臨界點(diǎn)和可測(cè)量的物理量上進(jìn)行了思考，都達(dá)到了便于調(diào)節(jié)、測(cè)量的目的.

1 用彈簧測(cè)力計(jì)直接測(cè)量

將細(xì)線一端固定，另一端用彈簧測(cè)力計(jì)水平拉細(xì)線.在拉力增大到一定程度時(shí)，細(xì)線被拉斷.

圖1

為了記下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，在彈簧測(cè)力計(jì)的指針下輕塞一個(gè)小紙團(tuán)，如圖1所示.它可以隨指針移動(dòng)，并作為指針到達(dá)最大位置的標(biāo)記.當(dāng)拉力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)細(xì)線斷裂，此時(shí)拉力會(huì)突然變?yōu)榱?，而紙團(tuán)留在了原位置，利用這個(gè)位置就可以確定細(xì)線的最大拉力了.

2 用視頻記錄后測(cè)量

將細(xì)線的一端固定，另一端與測(cè)力計(jì)連接.緩慢向外拉動(dòng)測(cè)力計(jì)，同時(shí)觀察到測(cè)力計(jì)的示數(shù)在不斷增大.當(dāng)細(xì)線拉斷時(shí)，記下這時(shí)測(cè)力計(jì)的示數(shù)，這個(gè)示數(shù)即為細(xì)線能承受的最大拉力.

在拉動(dòng)測(cè)力計(jì)時(shí)，利用攝像機(jī)錄下測(cè)力計(jì)示數(shù)變化的視頻，再將視頻逐幀播放，可找出最大的拉力.

3 用天平測(cè)量

將細(xì)線的上端固定在鐵架臺(tái)上，下端掛一只托盤.在托盤上逐漸增加重物，直到細(xì)線被拉斷.再用天平測(cè)量托盤與所加重物的總質(zhì)量，計(jì)算出它們的重力，這個(gè)重力即為細(xì)線能承受的最大拉力.

在加重物時(shí)，由于不可預(yù)見細(xì)線在什么時(shí)候斷開，設(shè)計(jì)時(shí)將托盤固定得盡量低一些，用細(xì)沙代替重物緩慢加入，可有效地把握細(xì)線承受最大拉力的時(shí)刻.

圖2

4 用阿基米德原理測(cè)量

將一根細(xì)線一端固定在容器底部的重物上，另一端固定在長方體木塊的下方，將整個(gè)裝置放入容器中，如圖2所示.往容器中緩慢加水，直至細(xì)線被拉斷.測(cè)量出細(xì)線剛被拉斷時(shí)木塊浸入水中的深度d(可在木塊上測(cè)量有水跡的長度)、木塊的總長度L、底面積S和質(zhì)量m，已知水的密度為ρ，由平衡力的知識(shí)得

mg+F=ρgSd

解得細(xì)線能承受的最大拉力

F=ρgSd-mg.

實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇密度較小的木塊比較容易成功.對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，也可在容器中加適量的水后，再在水中加入食鹽，增大液體的密度，直到細(xì)線被拉斷，測(cè)量鹽水的密度，同樣用上面的公式進(jìn)行計(jì)算.但實(shí)際操作過程中要不斷加鹽和攪拌，操作難以控制，很難做到使細(xì)線斷開.如果用細(xì)線直接將一個(gè)柱形物體從水中向上提出(或者將容器中的水緩慢放出，降低水位)，由于上面的細(xì)線的拉力不斷增大，測(cè)量出拉斷時(shí)露出水面部分的長度，也可以計(jì)算出細(xì)線的最大拉力.但細(xì)線剛被拉斷時(shí)，柱形物體露出水面部分的長度不便測(cè)量，不如原方案中從木塊上找水跡容易測(cè)量.

5 用杠桿平衡原理測(cè)量

圖3

調(diào)節(jié)杠桿水平平衡，將細(xì)線一端固定在杠桿左端，另一端固定在桌面上，調(diào)節(jié)細(xì)線豎直，在杠桿右側(cè)用細(xì)繩套吊一只質(zhì)量為m的鉤碼，緩慢向右移動(dòng)細(xì)繩套，直至細(xì)線被拉斷，如圖3所示.測(cè)量出細(xì)線拉力的力臂l1、鉤碼拉力的力臂l2，由杠桿平衡條件得

Fl1=mgl2

這種測(cè)量方案中只要測(cè)出兩個(gè)拉力的力臂和鉤碼的重力，測(cè)量比較方便.

6 用DIS系統(tǒng)測(cè)量

用DIS中力傳感器測(cè)量.將細(xì)線的一端固定，另一端與力傳感器相連，DIS力傳感器與計(jì)算機(jī)相連以顯示拉力的大小.向外緩慢拉動(dòng)力傳感器，在顯示屏上可看到顯示的拉力逐漸增大，當(dāng)細(xì)線拉斷后，顯示屏顯示圖線歸零.圖線中顯示的峰值即為細(xì)線能承受的最大拉力.這種做法形象直觀，測(cè)量準(zhǔn)確.

7 用共點(diǎn)力平衡知識(shí)測(cè)量

圖4

用這種方法測(cè)量，對(duì)被測(cè)量的物理量在測(cè)量上要求比較簡(jiǎn)單，而且器材都是常見的.