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1、设计电学实验测量力学量摘要：本文通过几个例题，运用转化装置，运用电学实验方法以测量力学中不能直接用力学方法则得的力学量，这对于培养学生理论联系实际的能力和创新精神大有帮助。关键词：电学实验；测量；力学量 力学中有许多力学量不能直接用力学方法测量，如角速度、薄膜的厚度等，但通过转化装置，运用电学实验方法却能实现测量。据此而编的一些试题也常在理科综合卷中出现，得到青睐的重要原因是这类题，既能培养学生理论联系实际的能力，也能培养学生不断创新的科学精神。 一、设计原理 这类实验编成的试题结构上大致可以分为：（1）给出或设计实验装置；（2）交待工作原理；（3）计算待测的物理量满足的表达式。 既然是力学量
2、用电学方法来测量，那当然得用转化的手段实现力与电间的变换，因而需要一个实验装置：力电转换器或者通过滑线变阻器来担当桥梁。通过滑过的位移找到力学量间的关系，通过滑动变阻器对线路电阻的改变显示出电表读数的变化，最终找到力电间的联系。实验直接读取的自然是电表的读数了。力、电转换中的滑动变阻器自然起到了控制元的作用，起到了电路对运动对象的约束调节作用。 二、实验分析 1、解决不易直接测量的力学量。 例1 角速度计可测量航天器自转的角速度，其结果如图1，当系统绕oo轴转动时，元件A在光滑杆上发生滑动，并输出电压信号成为航天器的制导信号源，已知A质量为m，弹簧的劲度系数为K，原长为L0，电源电动势为E，内
3、阻不计。滑动变阻器总长为L，电阻分布均匀，系统静止时滑动变阻器滑动头P在中点，与固定接点Q正对，当系统以角速度转动时，求电压表的示数U与角速度函数关系。分析与解:角速度是一个较难用力学方法直接测定的力学量，通过滑块的移动，改变触头的位置，使电压表示数变化，从电压表的读数得知角速度的值。滑块A绕oo轴转动时，它所需的向心力由弹簧的弹力提供，设形变为x，根据牛顿第二定律可得:Kx=m2(L0+x)根据电压分配规律:E/L=U/x解上二式可得U=m2L0E/(k-m2)L由此可见只要将测量输出电压的电压表重新刻制成直读角速度数值的角速度计，便可把不易测量的转换成能够读数的电压表值，实现力学量转换为电
4、量的读数。 2、解决不易直接测量的力学量 例2 用电学方法测水流对小球的作用力，如质量为m的小铅球P系在细金属线下，悬挂在O点，开始时小球P沿竖直方向处于静止状态，将小铅球P放入水平流动的水中时，球向左摆起一定的角度，水流速度越大，越大，为了测定水流对小球作用力的大小，在小平方向固定一根电阻丝BC，C点在O点正下方，且OC长为h，BC长为L，BC与金属线接触良好，接触点为D，不计接触点D处的摩擦和金属丝电阻，再取一只电动势为E，内阻不计的电源和一只电压表(内阻较大)，将这些器材连接成测量电路。(1)为使水流作用力增大时，电压表读数增大，四位同学分别连成了如图3所示的四个电路，其中正确的是。(2
5、)若小球平衡时，电压表的读数为U，请写出m.U.E.h和L表示的F表达式.分析与解:流体对小球的作用力不易直接测量，通过小球的偏转(力学过程)转化为变阻器触点的移动(电学过程)，而使电压表读数的变化达到测量力的目的。(1)从水流作用力F越大，小球偏转角越大，使悬线与电阻丝的接触点D移向高电势B端，可见要使电压表示数增大，电压表需测量DC间的电压，则选B。(2) 因电压表内阻较大，当移动接触点D时对整个电路的影响不大，不改变电路的电流，设BC电阻为R，DC为Rx，则由电阻定律可得:R/Rx=L/x(1)由电压分配原理知:U/Rx=E/R(2)对小球受力分析如图4.由小球平衡和几何关系可得:x=h
6、F/mg(3)联立(1)(2)(3)得F=LmgU/hE 由此可见力F与电压表示数U之间形成一次函数关系，凡因变量与自变量间成一次函数的测量仪表刻度盘刻度都是均匀的，可见只要改装电压表读数即可直接读得力的值。 3、用于实际的测量例3 如图5所示，是某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图。利用电压表(内阻很大)的示数来指示物体的质量，托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计，滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当托盘中没放物体时，电压表的示数为零。设变阻器的总电阻为R，总长度为L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻为R0，弹簧的劲度系数为k，不计一切摩擦和阻力.则电压表示数U与所称物体
7、质量m的关系式为U。(2)由(1)的计算结果可知，电压表示数与待称物体的质量不成正比，不便于进行刻度，为使电压表示数与待称物体的质量成正比，请利用原有器材进行改进，在方框图中完成改进后的电路原理图，并得出电压表示数U与待称物体的质量m的关系式。(3)请你设想在实际中可能会遇到的一个问题。分析与解:这是一道综合力学与电学知识的实际应用题。电子秤已在生活中得到了广泛的应用，但对其工作原理就不太清楚了，当货物挤压秤盘时，使弹簧发生形变，从而滑动变阻器的触头，改变电压表的示数，而电压表与触头滑过的距离是一一对应的，因此，可以变换电压表的示数直接读出重力的大小。(1)由于弹簧秤电阻可略，不放货物时，电压
8、表被弹簧秤短路，示数为零，当被秤物体质量为m，弹簧缩短x时，由胡克定律得:m=kx/g(1)由电阻定律和欧姆定律知:U=I(xR/L)(2)E=I(r+R0)+U(3)由上 三式知:U=mgRE/kL(r+R0)+mgR可见质量与电压表的示数是非线性变化，从电压表刻度直接得出质量值刻度将是非均匀的，这对秤量是极不方便的，因而需进一步改进。(2)要实现电压表示数与质量成正比，而被秤物的质量与触头滑过的距离成正比，也就是要做到电压表示数与变阻器滑过的距离成正比，那就得保证触头滑动时不影响干路电流因而改进电路如图6所示。滑过的距离x为:x=mg/k电压表示数U:U/(xR/L)=E/(r+R+R0)由上可得:U=REgm/kL(r+R 本新闻共2页,当前在第1页 1 2