问题 问答题

图甲是某研究性学习小组自制的电子秤原理图,利用电压表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,当盘中没有放物体时,电压表示数为零.设变阻器总电阻为R,总长度为L,电源电动势为E,内阻为r,限流电阻阻值为R0,弹簧劲度系数为k,电压表为理想电表,若不计一切摩擦和其它阻力.

(1)试推出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式.

(2)由(1)计算结果可知,电压表示数与待测物体质量不成正比,不便于进行刻度,为了使电压表示数与待测质量成正比,请你利用原有器材在该小组研究的基础上进行改进,在图乙的基础上完成改进后的电路图,并推出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式.

答案

(1)设变阻器的上端到滑动端的长度为x,

根据胡克定律得,mg=kx,

滑动变阻器的有效电阻Rx=

xR
L
=
mgR
kL
      

根据分压规律,有:Ux=

Rx
Rx+R0+r
E

联立求解,得Ux=

mgRE
mgR+kL(R0+r)

(2)电路图如图所示

根据胡克定律,有:mg=kx,

滑动变阻器的有效电阻Rx=

xR
L
 

 根据分压规律,有:Ux=

E
R0+R+r
Rx

Ux=

gRE
(R0+R+r)kL
m

答:(1)电压表示数与所称物体质量m的关系式为Ux=

mgRE
mgR+kL(R0+r)

(2)改进电路图如图所示,电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式为Ux=

gRE
(R0+R+r)kL
m.

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