测量细线最大拉力的方法

(江苏省建湖高级中学，江苏 盐城 224700)

在一些实际问题中，经常会遇到测量绳子或细线能承受的最大拉力.由于细线的最大拉力是在细线即将断开时出现的，这个时机很难把握，要测量这个时刻的拉力，需要用特殊的方法.为了测量最大拉力时，笔者在临界点和可测量的物理量上进行了思考，都达到了便于调节、测量的目的.

1 用弹簧测力计直接测量

将细线一端固定，另一端用弹簧测力计水平拉细线.在拉力增大到一定程度时，细线被拉断.

图1

为了记下弹簧测力计的示数，在弹簧测力计的指针下轻塞一个小纸团，如图1所示.它可以随指针移动，并作为指针到达最大位置的标记.当拉力达到某一数值时细线断裂，此时拉力会突然变为零，而纸团留在了原位置，利用这个位置就可以确定细线的最大拉力了.

2 用视频记录后测量

将细线的一端固定，另一端与测力计连接.缓慢向外拉动测力计，同时观察到测力计的示数在不断增大.当细线拉断时，记下这时测力计的示数，这个示数即为细线能承受的最大拉力.

在拉动测力计时，利用摄像机录下测力计示数变化的视频，再将视频逐帧播放，可找出最大的拉力.

3 用天平测量

将细线的上端固定在铁架台上，下端挂一只托盘.在托盘上逐渐增加重物，直到细线被拉断.再用天平测量托盘与所加重物的总质量，计算出它们的重力，这个重力即为细线能承受的最大拉力.

在加重物时，由于不可预见细线在什么时候断开，设计时将托盘固定得尽量低一些，用细沙代替重物缓慢加入，可有效地把握细线承受最大拉力的时刻.

图2

4 用阿基米德原理测量

将一根细线一端固定在容器底部的重物上，另一端固定在长方体木块的下方，将整个装置放入容器中，如图2所示.往容器中缓慢加水，直至细线被拉断.测量出细线刚被拉断时木块浸入水中的深度d(可在木块上测量有水迹的长度)、木块的总长度L、底面积S和质量m，已知水的密度为ρ，由平衡力的知识得

mg+F=ρgSd

解得细线能承受的最大拉力

F=ρgSd-mg.

实验时选择密度较小的木块比较容易成功.对于本实验，也可在容器中加适量的水后，再在水中加入食盐，增大液体的密度，直到细线被拉断，测量盐水的密度，同样用上面的公式进行计算.但实际操作过程中要不断加盐和搅拌，操作难以控制，很难做到使细线断开.如果用细线直接将一个柱形物体从水中向上提出(或者将容器中的水缓慢放出，降低水位)，由于上面的细线的拉力不断增大，测量出拉断时露出水面部分的长度，也可以计算出细线的最大拉力.但细线刚被拉断时，柱形物体露出水面部分的长度不便测量，不如原方案中从木块上找水迹容易测量.

5 用杠杆平衡原理测量

图3

调节杠杆水平平衡，将细线一端固定在杠杆左端，另一端固定在桌面上，调节细线竖直，在杠杆右侧用细绳套吊一只质量为m的钩码，缓慢向右移动细绳套，直至细线被拉断，如图3所示.测量出细线拉力的力臂l1、钩码拉力的力臂l2，由杠杆平衡条件得

Fl1=mgl2

这种测量方案中只要测出两个拉力的力臂和钩码的重力，测量比较方便.

6 用DIS系统测量

用DIS中力传感器测量.将细线的一端固定，另一端与力传感器相连，DIS力传感器与计算机相连以显示拉力的大小.向外缓慢拉动力传感器，在显示屏上可看到显示的拉力逐渐增大，当细线拉断后，显示屏显示图线归零.图线中显示的峰值即为细线能承受的最大拉力.这种做法形象直观，测量准确.

7 用共点力平衡知识测量

图4

用这种方法测量，对被测量的物理量在测量上要求比较简单，而且器材都是常见的.