Question

18．如圖所示是一種懸球式加速度儀．它可以用來測定沿水平軌道做勻加速直線運動的列車的加速度．m是一個金屬球，它系在細金屬絲的下端，金屬絲的上端懸掛在O點，AB是一根長為l的電阻絲，其阻值為R．金屬絲與電阻絲接觸良好，摩擦不計．電阻絲的中點C焊接一根導線．從O點也引出一根導線，兩線之間接入一個電壓表V （金屬絲和導線電阻不計）．圖中虛線OC與AB相垂直，且OC=h，電阻絲AB接在電壓恒為U的直流穩(wěn)壓電源上．整個裝置固定在列車中使AB沿著車前進的方向．列車靜止時金屬絲呈豎直狀態(tài)．當列車加速或減速前進時，金屬線將偏離豎直方向θ，從電壓表的讀數(shù)變化可以測出加速度的大�。�
（1）當列車向右做勻加速直線運動時，試寫出加速度a與θ角的關(guān)系及加速度a與電壓表讀數(shù)U′的對應關(guān)系．
（2）這個裝置能測得的最大加速度是多少？

Answer 1

分析 （1）電壓表所測的電壓是部分電阻絲兩端的電壓．對小球進行受力分析，結(jié)合牛頓第二定律，求出a與tanθ的關(guān)系，電壓表所測電壓的電阻絲長度為htanθ，根據(jù)歐姆定律求出電壓表所測電阻絲的電壓和電源電壓的關(guān)系．從而得出加速度a與電壓表讀數(shù)U′的關(guān)系式．
（2）電壓表的最大值對應著加速度的最大值．

解答 解：（1）小球受力如圖所示，由牛頓第二定律得：a=$\frac{F_合}{m}$=$\frac{mgtanθ}{m}$=gtanθ．
設(shè)細金屬絲與豎直方向夾角為θ時，其與電阻絲交點為D，CD間的電壓為U′，則
  $\frac{U'}{U}=\frac{{{R_{CD}}}}{{{R_{AB}}}}=\frac{{\overline{CD}}}{{\overline{AB}}}=\frac{{\overline{CD}}}{l}$
故得 a=gtanθ=g•$\frac{{\overline{CD}}}{h}=\frac{lU'}{hU}g$．
（2）因CD間的電壓最大值為$\frac{U}{2}$，即U_max′=$\frac{U}{2}$，所以a_max=$\frac{l}{2h}$g．
答：（1）當列車向右做勻加速直線運動時，加速度a與θ角的關(guān)系是a=gtanθ，加速度a與電壓表讀數(shù)U′的對應關(guān)系是a=$\frac{IU′}{hU}$g．
（2）這個裝置能測得的最大加速度是$\frac{I}{2h}$g．

點評 解決本題的關(guān)鍵利用牛頓第二定律，以及熟練運用閉合電路歐姆定律，得出加速度與電壓表讀數(shù)的關(guān)系．