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1、谈电压谈电压表表应应用的用的创创新新哈哈铁铁一中一中 150001 张张晶晶莹莹近年来，随着素质教育方针在物理教学中的贯彻实施，高近年来，随着素质教育方针在物理教学中的贯彻实施，高考和竞赛中经常出现一些创新型的试题，电压表的应用问题考和竞赛中经常出现一些创新型的试题，电压表的应用问题也有这样的情况。下面以三道习题为例加以说明。也有这样的情况。下面以三道习题为例加以说明。习题一、习题一、 如图如图 1 所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度。水平轨道运动的列车的加速度。m 是一个金属球，它系在金是一个金属球，它系在金属丝的下
2、端，金属丝的上端悬挂在属丝的下端，金属丝的上端悬挂在 O 点。点。AB 是一根长为是一根长为 L的均匀电阻丝，其阻值为的均匀电阻丝，其阻值为 R，金属丝与电阻丝接触良好，摩，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计，电阻丝的中点擦不计，电阻丝的中点 C 焊接一根导线，两线之间接入一个焊接一根导线，两线之间接入一个电压表电压表 V（金属丝和导线电阻不计）（金属丝和导线电阻不计） 。图中虚线。图中虚线 OC 与与 AB 相相垂直，且垂直，且 OC=h。电阻丝。电阻丝 AB 接在电压为接在电压为 U 的直流稳定电源的直流稳定电源上，整个装置固定在列车中。使上，整个装置固定在列车中。使 AB 沿着车的前进方向
3、，列沿着车的前进方向，列车静止时，金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，车静止时，金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，金属丝将偏离竖直方向，从电压表的读数变化可测出加速度金属丝将偏离竖直方向，从电压表的读数变化可测出加速度的大小。的大小。(1)当列车向右作匀加速运动，试写当列车向右作匀加速运动，试写 a 与电压表与电压表 U读数的对应读数的对应关系关系,以便重新刻制到电压表面，使它成为直接读加速度数以便重新刻制到电压表面，使它成为直接读加速度数值的加速度计。值的加速度计。(2)这个装置测得的最大加速度这个装置测得的最大加速度 a 为多少？为多少？(3)为什么为什么 C 点设置在电阻丝
4、点设置在电阻丝 AB 的中间？对电压表的零刻度的中间？对电压表的零刻度线在表面上的位置有什么要求？线在表面上的位置有什么要求？图图 1 图图 2分析与解：分析与解： （1）设列车向右做匀加速运动时加速度为）设列车向右做匀加速运动时加速度为 a，此时金属丝将向左偏离竖直方向夹角此时金属丝将向左偏离竖直方向夹角 ，金属丝与电阻丝接，金属丝与电阻丝接触点触点 D。如图。如图 2 所示。此时金属丝受到的合外力所示。此时金属丝受到的合外力F合合=mgtan 即即 a=gtan从从 OCDOCD 中知中知 tan= hDC a=ga=gtan=g=g hDC从电路部分来讲，设此时电压表读数为从电路部分来讲
5、，设此时电压表读数为 U电路如图电路如图 3 所所示，由于示，由于 OD 部分电阻不计，故电压表示数为电阻丝上部分电阻不计，故电压表示数为电阻丝上间间DC的电压。又在稳压电源与电阻回路中，的电压。又在稳压电源与电阻回路中， ，段与段与段段段段DCADBC间串联（如图间串联（如图 4）得：）得：ODCABCDOhm稳压电源稳压电源VLDC RR UUABDC LUUDC 把把代入代入得得 a=a=式中式中 g、L、U、h 均为定值，故均为定值，故 aUUhgL与与成正比。所以，可在电压表面标定加速度值。成正比。所以，可在电压表面标定加速度值。U(2)加速度最大时，加速度最大时，D 点移到点移到
6、A 或或 B 点此时，电压表的示数点此时，电压表的示数Umax=U/2amax=gL/2hC 点设置在点设置在 AB 中间的好处是，利用此装置，可测定列车中间的好处是，利用此装置，可测定列车做匀加速和匀减速运动时的加速度，电压表的零刻度应在表做匀加速和匀减速运动时的加速度，电压表的零刻度应在表盘的中间位置。盘的中间位置。习题二、习题二、 加速度计是测定物体加速度的仪器。他已成为导弹、飞加速度计是测定物体加速度的仪器。他已成为导弹、飞机、潜艇或宇宙飞船制导系统的信息源。图机、潜艇或宇宙飞船制导系统的信息源。图 5 为应变式加速为应变式加速OD CV图图 3电源电源AD CB图图 4度计示意图，当
7、系统加速时，加速度计中的敏感元件也处于度计示意图，当系统加速时，加速度计中的敏感元件也处于加速状态，敏感元件连接在光滑支架上，支架与被测系统固加速状态，敏感元件连接在光滑支架上，支架与被测系统固定在一起，敏感元件下端的滑动臂可在滑动变阻器上自由滑定在一起，敏感元件下端的滑动臂可在滑动变阻器上自由滑动，当系统加速运动时，敏感元件发生位移，并转换为电信动，当系统加速运动时，敏感元件发生位移，并转换为电信号输出。已知：敏感元件的质量为号输出。已知：敏感元件的质量为 m，两弹簧的劲度系数为，两弹簧的劲度系数为k，电源电动势为，电源电动势为 ，内阻不计，滑动变阻器的总电阻为，内阻不计，滑动变阻器的总电阻
8、为 R， 有效长度为有效长度为 L，静态时输出电压为，静态时输出电压为 U0。试求：加速度。试求：加速度 a 与输与输出电压出电压 U 的关系式。的关系式。分析与解分析与解 设物体的加速度为设物体的加速度为 a,弹簧形变量为弹簧形变量为 x.。由牛顿第。由牛顿第二定律得二定律得 F合合=ma F合合=F弹弹 =2kx 由由、得得 2kx=ma2kx=ma 输出电压的变化输出电压的变化 U=x /L/L 输出电压输出电压 U=U0U 图图 5联立联立、得得 U=U0kLma 2 当加速度当加速度 a 方向向右时方向向右时 U=U0- -kLma 2 敏感敏感元件元件输出输出信号信号R当加速度当加
9、速度 a 方向向左时方向向左时 U=U0+kLma 2 习题三、习题三、角速度计可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度，其角速度计可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度，其结构如图结构如图 6 所示，当系统绕所示，当系统绕 OO转动时，元件转动时，元件 A 发生位移发生位移并输出电压信号，成为飞机、卫星等制导系统的信息源，已并输出电压信号，成为飞机、卫星等制导系统的信息源，已知知 A 的质量为的质量为 m，弹簧的劲度系数为，弹簧的劲度系数为 k，自然长度为，自然长度为 L，电，电源电动势为源电动势为 ，内阻不计，滑动变阻器的总长度为，内阻不计，滑动变阻器的总长度为 l，电阻分，电阻分 布均匀，系统
10、静止时布均匀，系统静止时 P 在在 B 点，当系统以角速度点，当系统以角速度 转动时，转动时，试写出输出电压试写出输出电压 U 和和 的函数式。的函数式。解：设弹簧形变量为解：设弹簧形变量为 x，由向心力公式得，由向心力公式得kx=m2 2(L+x)(L+x) x= 22 mkLm 输出电压输出电压 U= xl 联立联立 、两式得两式得 U= 图图 6 l 22 mkLm )(22 mklLm 总结以上习题，题目将生活中的物理现象与书本知识相结总结以上习题，题目将生活中的物理现象与书本知识相结合，创设新的物理情境，既考察了学生对基本知识的掌握，合，创设新的物理情境，既考察了学生对基本知识的掌握，又对学生理解运用知识的能力提出了更高的要求。因此，在又对学生理解运用知识的能力提出了更高的要求。因此，在教学中我们应重视此类习题的讲解，力争将我们的教学质量教学中我们应重视此类习题的讲解，力争将我们的教学质量A输出输出电压电压BP CSOO提高一个新的台阶。提高一个新的台阶。
