弹簧测力计读数时(弹簧测力计读到哪一位)
弹簧测力计在(准)静态时使用。在准静态状态下,忽略弹簧质量对变形的影响。然而,现在有些问题需要弹簧移动,比如下面的问题。
【问题1】恒定的力F=4N拉动测力计,使其沿着光滑的水平面滑动。若测功机内部弹簧的质量等于外壳质量(=m),且测功机的刻度处于水平位置,求测功机的读数。
【分析】如果忽略弹簧的质量,则动态时弹簧的内力沿轴线恒定(也等于弹簧两端的拉力)。此时,即使弹簧移动,也不会影响变形。
如果弹簧不是匀速运动,又必须考虑弹簧的质量,那么严格来说,这是一个波动问题,需要用波动力学来分析(有兴趣的可以看看弹簧的内力)这里的春天,是中学物理伤不到的)。
对于中学物理来说,考虑涨落问题是不现实的。
下图1所示为弹簧测力计的结构。
图1
[问题1]的模型可以简化如下图2所示。壳的质量被简化为一个粒子,它被束缚在弹簧的左端。
图2
如果这道题能够有稳定的读数(指针),那么弹簧的总伸长一定不随时间变化(否则指针来回摆动,就没有数字的指示)。实现此效果的一种方法是弹簧沿轴线的加速度a与位置无关。当然,左边质量块的加速度也是a(作为波动问题,计算的是a随时间和空间的变化,而不是这里的稳定读数。并假设)。
根据牛顿第二定律,我们有
a=F/(2m)(1)
由于F是常数,a不随时间变化。
对于长度为L、刚度(刚度)系数为k的均匀弹簧,单位长度的弹簧刚度为k/L。
考虑图2中弹簧的微元件段dx(见图3(a))。该微元件的伸长率为F(x)dx/(k/L)。该弹簧的总伸长量与F(x)dx/(k/L)积分相关。
图3
考虑x右侧的弹簧段。根据牛顿第二定律,我们有
F-F(x)=(L-x)/Lma(2)
将式(1)代入并化简得
F(x)=F/2+Fx/(2L)(3)
这样,弹簧的总伸长量为
即总伸长量为静弹簧的3/4,因此测力计的读数为3N。
必须指出的是,此时弹簧左端与壳体之间的力不能由弹簧的总变形来确定,而是由弹簧的局部变形程度来确定(对于无质量弹簧,变形程度沿轴各处都相同,因此弹簧两端的力相等,并且等于弹簧变形乘以刚度系数)。
此时局部变形为F(0)dx/(k/L)/dx,刚度系数为k/L,所以这里的力为F(0)。事实上,式(3)取x=0,即F/2=2N。
上述分析是基于测功机挂钩上作用的力进行的。如果有一个力作用在壳体上,采用类似的分析方法,可以得出测力计的读数为1N。
同样,弹簧与外壳之间的力是2N,而不是1N。
下面网上的回答中红圈的表述是不恰当的。
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