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一、实验目的
探究杠杆平衡时,动力×动力臂与阻力×阻力臂之间的关系。
二、实验原理
F₁ · L₁ = F₂ · L₂(杠杆平衡条件)
- F₁ — 动力(右侧钩码重力),单位:N
- L₁ — 动力臂(动力作用线到支点的垂直距离),单位:cm
- F₂ — 阻力(左侧钩码重力),单位:N
- L₂ — 阻力臂,单位:cm
- 实验前先调平衡螺母使杠杆在水平位置平衡,再改变钩码个数和悬挂位置,使杠杆再次水平平衡,便于直接从杠杆刻度读出力臂。
三、实验器材
杠杆(带刻度、两端有可调节平衡螺母)1 套;铁架台(带支架与支点销)1 个;钩码(每个重力 0.5 N)若干。
四、实验步骤
- 把杠杆支在铁架台的支架上,调节两端平衡螺母,使杠杆在水平位置平衡(看顶部水平仪)。
- 在支点两侧挂钩上增减钩码、并移动挂钩位置(改变力臂),使杠杆再次水平平衡。
- 读出动力 F₁、阻力 F₂ 与各自力臂 L₁、L₂,计算 F₁L₁ 与 F₂L₂。
- 改变数据多次实验,归纳平衡条件。
五、互动模拟(完全模拟真实操作)
💡 操作顺序:① 拖动杠杆两端的平衡螺母把空载杠杆调到水平;② 在左右挂钩上点 + / − 增减钩码(每个 0.5 N),并拖动挂钩或点 ◀ ▶ 改变力臂位置。杠杆会随合力矩倾斜,水平仪气泡居中即平衡。
动力 F₁ = 1.0 N
动力臂 L₁ = 15 cm
阻力 F₂ = 1.0 N
阻力臂 L₂ = 15 cm
F₁·L₁ = 15.0 N·cm
F₂·L₂ = 15.0 N·cm
状态:水平平衡 ✔
左侧 · 阻力(F₂)
钩码: 2 个(1.0 N)
力臂位置: 15 cm
也可直接用鼠标拖动左侧挂钩改变力臂。
右侧 · 动力(F₁)
钩码: 2 个(1.0 N)
力臂位置: 15 cm
也可直接用鼠标拖动右侧挂钩改变力臂。
平衡螺母(真实操作:先调平)
左螺母位置:−28 cm 右螺母位置:28 cm
拖动杠杆两端的蝶形螺母左右微调,使顶部水平仪气泡居中(空载水平);再做挂钩实验时平衡条件即 F₁L₁ = F₂L₂。
六、数据记录
| 次数 | F₁ / N | L₁ / cm | F₂ / N | L₂ / cm | F₁L₁ / N·cm | F₂L₂ / N·cm | 平衡 |
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七、探究结论
杠杆平衡时,动力×动力臂 = 阻力×阻力臂,即 F₁L₁ = F₂L₂。改变钩码个数(力的大小)或悬挂位置(力臂)都会破坏平衡,需重新调节才能再次水平平衡。
八、注意事项
- 实验前先调平衡螺母,使杠杆在水平位置平衡(看水平仪),以便从杠杆刻度直接读取力臂。
- 力臂是支点到力的作用线的垂直距离;本模拟中钩码竖直悬挂,力臂等于支点到悬挂点的水平距离(刻度读数)。
- 杠杆有明显倾斜即未平衡,需增减钩码或移动挂钩位置。