加速度计是测定物体加速度的仪器.在现在代科技中它已成为导弹,飞机,潜艇或者宇宙飞船制导系统的信息源,如图所示为应变式加速度计,当系统加速时,加速度计中的敏感元件也处于加速状态,敏感元件下端的滑动臂可在滑动变阻器R上自由的滑动,当系统加速时,敏感元件发生位移,并转换成电信号输出.
已知敏感元件的质量为m,两侧弹簧的劲度系数均为k,电源电动势为E,内阻不变,滑动变阻器总电阻为R,有效长度为L,系统静止时滑片位于滑动变阻器中央,电压表指针恰好位于表头刻度盘的中央.求:
(1)系统加速度a与电压表示数U的函数关系式.
(2)将电压表的刻度盘改为加速度的示数后,其刻度是均匀的还是不均匀的?为什么?
(3)若电压表的指针指向满刻度的3/4位置,此时系统处于加速状态还是减速状态?加速度的值是多大?(设向右方向为飞行器前进的方向)
(1)系统静止时敏感元件两端弹簧位于自然状态,
设系统以加速度a右加速运动,敏感元件向左移动的位移为x,由胡克定律和牛顿第二定律可得:
a=
=F m
…①2kx m
此时电压表的示数由欧姆定律可得:
U=E
-xL 2 L
解得:
x=
-L 2 UL E
带入①得:
a=
…②kL(E-2U) mE
(2)由上式可知,系统加速度与电压表示数之间成一次函数关系,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.
(3)当电压表的指针指向满刻度的
时,3 4
U=
,带入②得:3E 4
a=
=a=kL(E-2U) mE
=-kL(E-2×
)3E 4 mE kL 2m
式中负号表示加速度方向向左,因此系统在做减速运动.
答:(1)系统加速度a与电压表示数U的函数关系式a=kL(E-2U) mE
(2)由a=
可知,系统加速度与电压表示数之间成一次函数关系,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kL(E-2U) mE
(3)若电压表的指针指向满刻度的3/4位置,此时系统处于减速状态,加速度的值为a=-KL 2m