細(xì)線拉斷力控制器的制作與應(yīng)用

霍金勝

(天水市第二中學(xué),甘肅 天水 741020)

細(xì)線受到的拉力太大，就會(huì)被拉斷. 在物理實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常出現(xiàn)細(xì)線被拉斷的現(xiàn)象，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)中由于很難找到符合實(shí)驗(yàn)要求的細(xì)線，影響實(shí)驗(yàn)效果. 為此，筆者設(shè)計(jì)制作了細(xì)線拉斷力控制器，可方便地調(diào)節(jié)細(xì)線的拉斷力，細(xì)線受到的拉力大于拉斷力時(shí)，控制器就會(huì)分離，也即細(xì)線斷開.

1 儀器的原理

用彈簧控制最大拉力大小，彈簧的伸長(zhǎng)量可以方便調(diào)節(jié)，通過控制彈簧的伸長(zhǎng)量控制最大拉力大小. 如圖1所示，掛鉤掛在金屬片上，當(dāng)拉力小于設(shè)定的最大拉力時(shí)，金屬片在金屬盒中，掛鉤與金屬片不分離；當(dāng)拉力大于設(shè)定值的，金屬片就會(huì)從金屬盒中拉出，掛勾與金屬片就會(huì)脫離. 下次使用時(shí)只要將掛勾再掛在金屬片上即可.

圖1 細(xì)線拉斷力控制器

2 儀器制做

2.1 掛鉤與分離器的制作

用1 mm的鋁合金片制作金屬片，在金屬片上有1個(gè)限位孔，金屬盒上固定1根金屬絲做限位器. 它們共同作用就是使金屬片在金屬盒中的位置限制在一定的適合范圍內(nèi).

2.2 彈簧伸長(zhǎng)控制

控制器彈簧，彈性限度內(nèi)最大拉力約30 N，彈性限度內(nèi)最大伸長(zhǎng)量約5 cm，彈簧的勁度系數(shù)約為600 N/m.

去掉木工刀刀片和外殼改裝成長(zhǎng)度控制器，控制彈簧的長(zhǎng)度，從而控制最大拉力. 彈簧一端固定在金屬片上，一端固定木工刀移動(dòng)片上(如圖2所示).

圖2 長(zhǎng)度控制器

2.3 彈簧的刻度

由于木工刀正面太小，無法制作刻度,因此刻度線畫在木工刀側(cè)面，控制器最大拉力數(shù)值畫在背面. 拉力數(shù)值刻度采用實(shí)驗(yàn)的方法確定，將測(cè)力計(jì)連在拉力控制器掛鉤上，然后逐漸增大拉力，當(dāng)掛勾與金屬片分離時(shí)，在木工刀移動(dòng)片上記下拉力的值. 反復(fù)5次就可以在木工刀上畫出拉力的值，然后計(jì)算出增大1 N拉力時(shí)移動(dòng)片的位移，即可標(biāo)出刻度.

3 誤差分析

由于長(zhǎng)度控制器的長(zhǎng)度不是連續(xù)變化，長(zhǎng)度變化量是木工刀1個(gè)齒的長(zhǎng)度整數(shù)倍，因而產(chǎn)生了誤差. 當(dāng)控制拉力比較小時(shí)，相對(duì)誤差較大，而控制拉力較大時(shí)，相對(duì)誤差較小，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，當(dāng)控制拉力大于10 N時(shí)，相對(duì)誤差小于10%，因此使用該控制器最適合的拉力控制范圍是10～30 N.

4 控制器的使用

4.1 慣性球?qū)嶒?yàn)

如圖3所示，重物質(zhì)量約400 g. 控制器拉斷力調(diào)節(jié)為20 N， 首先用力從下面拉細(xì)線， 逐漸增大拉力，就會(huì)發(fā)現(xiàn)上面的控制器掛鉤先分離，即上面的細(xì)線先斷. 再?gòu)南旅婕?xì)線上用很大的力猛拉繩子，就會(huì)觀察到下面的控制器與掛鉤分離，即下面的繩子先斷.

圖3 控制器使用示意圖

4.2 研究離心運(yùn)動(dòng)

在拉斷力控制器上連一細(xì)線，在細(xì)線另一端固定質(zhì)量約為100 g鉤碼，調(diào)節(jié)最大拉力為20 N. 手持控制器，使物體在水平面做圓周運(yùn)動(dòng). 逐漸增大物體做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度，當(dāng)角速度增大到某一值時(shí)，控制器斷開，鉤碼沿著運(yùn)動(dòng)的切線方向飛出，說明做圓周運(yùn)動(dòng)的物體速度越大，需要向心力越大，當(dāng)細(xì)線斷后由于沒有向心力時(shí)，物體沿運(yùn)動(dòng)的切線方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，沿切線方向飛出.

5 結(jié)束語

拉斷力控制器能使有關(guān)細(xì)線拉斷的物理實(shí)驗(yàn)更加方便簡(jiǎn)單，例如：在慣性球?qū)嶒?yàn)中，當(dāng)細(xì)線的最大拉斷力是重物重力的2～4倍，實(shí)驗(yàn)效果較好，而生活中常用的細(xì)線的拉力往往比較大，由于找不到適合要求的細(xì)線，慣性球?qū)嶒?yàn)雖然簡(jiǎn)單，但完成此實(shí)驗(yàn)的教師與學(xué)生很少. 而有了拉斷力控制器后，可以方便調(diào)節(jié)繩子的最大拉力，使慣性球?qū)嶒?yàn)十分方便簡(jiǎn)單. 在細(xì)線拉斷實(shí)驗(yàn)中，細(xì)線被拉斷以后要重新連接，又費(fèi)時(shí)間又麻煩，而有了最大拉斷力控制器后，掛勾分離后，只要把掛鉤重新掛上即可，使用十分方便.