測量細線最大拉力的方法

(江蘇省建湖高級中學，江蘇 鹽城 224700)

在一些實際問題中，經常會遇到測量繩子或細線能承受的最大拉力.由于細線的最大拉力是在細線即將斷開時出現的，這個時機很難把握，要測量這個時刻的拉力，需要用特殊的方法.為了測量最大拉力時，筆者在臨界點和可測量的物理量上進行了思考，都達到了便于調節、測量的目的.

1 用彈簧測力計直接測量

將細線一端固定，另一端用彈簧測力計水平拉細線.在拉力增大到一定程度時，細線被拉斷.

圖1

為了記下彈簧測力計的示數，在彈簧測力計的指針下輕塞一個小紙團，如圖1所示.它可以隨指針移動，并作為指針到達最大位置的標記.當拉力達到某一數值時細線斷裂，此時拉力會突然變為零，而紙團留在了原位置，利用這個位置就可以確定細線的最大拉力了.

2 用視頻記錄后測量

將細線的一端固定，另一端與測力計連接.緩慢向外拉動測力計，同時觀察到測力計的示數在不斷增大.當細線拉斷時，記下這時測力計的示數，這個示數即為細線能承受的最大拉力.

在拉動測力計時，利用攝像機錄下測力計示數變化的視頻，再將視頻逐幀播放，可找出最大的拉力.

3 用天平測量

將細線的上端固定在鐵架臺上，下端掛一只托盤.在托盤上逐漸增加重物，直到細線被拉斷.再用天平測量托盤與所加重物的總質量，計算出它們的重力，這個重力即為細線能承受的最大拉力.

在加重物時，由于不可預見細線在什么時候斷開，設計時將托盤固定得盡量低一些，用細沙代替重物緩慢加入，可有效地把握細線承受最大拉力的時刻.

圖2

4 用阿基米德原理測量

將一根細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，將整個裝置放入容器中，如圖2所示.往容器中緩慢加水，直至細線被拉斷.測量出細線剛被拉斷時木塊浸入水中的深度d(可在木塊上測量有水跡的長度)、木塊的總長度L、底面積S和質量m，已知水的密度為ρ，由平衡力的知識得

mg+F=ρgSd

解得細線能承受的最大拉力

F=ρgSd-mg.

實驗時選擇密度較小的木塊比較容易成功.對于本實驗，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，直到細線被拉斷，測量鹽水的密度，同樣用上面的公式進行計算.但實際操作過程中要不斷加鹽和攪拌，操作難以控制，很難做到使細線斷開.如果用細線直接將一個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)，由于上面的細線的拉力不斷增大，測量出拉斷時露出水面部分的長度，也可以計算出細線的最大拉力.但細線剛被拉斷時，柱形物體露出水面部分的長度不便測量，不如原方案中從木塊上找水跡容易測量.

5 用杠桿平衡原理測量

圖3

調節杠桿水平平衡，將細線一端固定在杠桿左端，另一端固定在桌面上，調節細線豎直，在杠桿右側用細繩套吊一只質量為m的鉤碼，緩慢向右移動細繩套，直至細線被拉斷，如圖3所示.測量出細線拉力的力臂l1、鉤碼拉力的力臂l2，由杠桿平衡條件得

Fl1=mgl2

這種測量方案中只要測出兩個拉力的力臂和鉤碼的重力，測量比較方便.

6 用DIS系統測量

用DIS中力傳感器測量.將細線的一端固定，另一端與力傳感器相連，DIS力傳感器與計算機相連以顯示拉力的大小.向外緩慢拉動力傳感器，在顯示屏上可看到顯示的拉力逐漸增大，當細線拉斷后，顯示屏顯示圖線歸零.圖線中顯示的峰值即為細線能承受的最大拉力.這種做法形象直觀，測量準確.

7 用共點力平衡知識測量

圖4

用這種方法測量，對被測量的物理量在測量上要求比較簡單，而且器材都是常見的.