细线拉断力控制器的制作与应用

霍金胜

(天水市第二中学,甘肃 天水 741020)

细线受到的拉力太大，就会被拉断. 在物理实验中，经常出现细线被拉断的现象，但实际实验中由于很难找到符合实验要求的细线，影响实验效果. 为此，笔者设计制作了细线拉断力控制器，可方便地调节细线的拉断力，细线受到的拉力大于拉断力时，控制器就会分离，也即细线断开.

1 仪器的原理

用弹簧控制最大拉力大小，弹簧的伸长量可以方便调节，通过控制弹簧的伸长量控制最大拉力大小. 如图1所示，挂钩挂在金属片上，当拉力小于设定的最大拉力时，金属片在金属盒中，挂钩与金属片不分离；当拉力大于设定值的，金属片就会从金属盒中拉出，挂勾与金属片就会脱离. 下次使用时只要将挂勾再挂在金属片上即可.

图1 细线拉断力控制器

2 仪器制做

2.1 挂钩与分离器的制作

用1 mm的铝合金片制作金属片，在金属片上有1个限位孔，金属盒上固定1根金属丝做限位器. 它们共同作用就是使金属片在金属盒中的位置限制在一定的适合范围内.

2.2 弹簧伸长控制

控制器弹簧，弹性限度内最大拉力约30 N，弹性限度内最大伸长量约5 cm，弹簧的劲度系数约为600 N/m.

去掉木工刀刀片和外壳改装成长度控制器，控制弹簧的长度，从而控制最大拉力. 弹簧一端固定在金属片上，一端固定木工刀移动片上(如图2所示).

图2 长度控制器

2.3 弹簧的刻度

由于木工刀正面太小，无法制作刻度,因此刻度线画在木工刀侧面，控制器最大拉力数值画在背面. 拉力数值刻度采用实验的方法确定，将测力计连在拉力控制器挂钩上，然后逐渐增大拉力，当挂勾与金属片分离时，在木工刀移动片上记下拉力的值. 反复5次就可以在木工刀上画出拉力的值，然后计算出增大1 N拉力时移动片的位移，即可标出刻度.

3 误差分析

由于长度控制器的长度不是连续变化，长度变化量是木工刀1个齿的长度整数倍，因而产生了误差. 当控制拉力比较小时，相对误差较大，而控制拉力较大时，相对误差较小，通过实验测量，当控制拉力大于10 N时，相对误差小于10%，因此使用该控制器最适合的拉力控制范围是10～30 N.

4 控制器的使用

4.1 惯性球实验

如图3所示，重物质量约400 g. 控制器拉断力调节为20 N， 首先用力从下面拉细线， 逐渐增大拉力，就会发现上面的控制器挂钩先分离，即上面的细线先断. 再从下面细线上用很大的力猛拉绳子，就会观察到下面的控制器与挂钩分离，即下面的绳子先断.

图3 控制器使用示意图

4.2 研究离心运动

在拉断力控制器上连一细线，在细线另一端固定质量约为100 g钩码，调节最大拉力为20 N. 手持控制器，使物体在水平面做圆周运动. 逐渐增大物体做圆周运动的角速度，当角速度增大到某一值时，控制器断开，钩码沿着运动的切线方向飞出，说明做圆周运动的物体速度越大，需要向心力越大，当细线断后由于没有向心力时，物体沿运动的切线方向做匀速直线运动，沿切线方向飞出.

5 结束语

拉断力控制器能使有关细线拉断的物理实验更加方便简单，例如：在惯性球实验中，当细线的最大拉断力是重物重力的2～4倍，实验效果较好，而生活中常用的细线的拉力往往比较大，由于找不到适合要求的细线，惯性球实验虽然简单，但完成此实验的教师与学生很少. 而有了拉断力控制器后，可以方便调节绳子的最大拉力，使惯性球实验十分方便简单. 在细线拉断实验中，细线被拉断以后要重新连接，又费时间又麻烦，而有了最大拉断力控制器后，挂勾分离后，只要把挂钩重新挂上即可，使用十分方便.