- 力矩的平衡条件
- 共88题
如图所示,由六根质量不计的导体棒组成一个人字形线圈,放在光滑绝缘水平面上,每根导棒长均为=1m,线圈总电阻=0.2Ω,将ad与a'd'用细线OO'拉住,e、f是两个质量都为=0.1kg光滑转轴,四根倾斜导体棒与水平面成37°角。人字形线圈在水平面投影区内有两块对称的区域,竖直向上的匀强磁场穿过这两块区域。如图中阴影区域所示(ad与a'd'恰在磁场中),其他地方没有磁场。磁场按=+0.5 的规律变化,取sin37°=0.6,cos37°=0.8。求:
(1)=0时水平面对线圈ad边支持力的大小和此时通过线圈电流大小;
(2)经过多少时间线圈的ad边与a'd'边开始运动?
(3)若在磁场力作用下经过一段时间,当线圈中产生了=1.2J热量后线圈刚好能完全直立(即ad边与a'd'边并拢在一起),则在此过程中磁场对线圈总共提供了多少能量?
(4)若人形线圈从直立状态又散开,此时磁感强度为0=T且不再变化,则ad边与a'd'再次刚进入磁场时,通过线圈的电流为多大?
正确答案
解:(1)对整个线圈以a'd'为转动轴,由力矩平衡有
2cos37°=2cos37°
由上式得==0.1×10N=1N
V
A
(2)平衡刚被破坏时细线OO'中拉力为零,对半个线圈以ef为转动轴,由力矩平衡有
A×sin37°=cos37°
求得
由
得
由关系式t=+0.5
得
(3)线圈由平衡被破坏到完全直立过程中机械能的增加量
△P=2(1-sin37°)=2×0.1×10×1×(1-0.6)J=0.8J
磁场提供的能量= △P+(0.8+1.2)J=2J
(4)人形线圈从直立状态又散开,ad边与a'd'再次刚进入磁场时,设两轴e、f的速度为(方向竖直向下),ad边与a'd'边的速度大小为x(方向水平)
由动能定理2(1-cos37°)=2×2
而x=ctg37°=2×=
m/s
ad边与a'd'边每一条边的电动势=x=V
线圈中的电流=
两个质量均为3×10-3kg的金属小球,用等长的丝线悬挂在同一点上,它们带上等量同种电荷后相互推斥.悬线长为0.5m,当它们之间的距离为0.6m时,两球恰好静止.已知静电力恒量为k=9.0×109N•m2/c2,求:(1)每一个小球所带的电荷量;(2)悬线对小球拉力的大小.
正确答案
(1)设小球在水平方向受到库仑力的大小为F,
=tanθ=
则有,F=mgtanθ
根据库仑定律得:F=k
∵r=2Lsinθ
∴Q=2L sinθ
解得:Q=9.5×10-7C
(2)对小球进行受力分析,如图所示.
设绳子对小球的拉力为T,
根据平衡条件得:=cosθ,
T=
代入数据,解得:T=3.75×10-2N,
答:(1)小球所带的电荷量是9.5×10-7C;
(2)小球所受拉力的大小是3.75×10-2N.
如图,在竖直向下,场强为E的匀强电场中,长为l的绝缘轻杆可绕固定轴O在竖直面内无摩擦转动,两个小球A、B固定于杆的两端,A、B的质量分别为m1和m2(m1<m2),A带负电,电量为q1,B带正电,电量为q2。杆从静止开始由水平位置转到竖直位置,在此过程中电场力做功为___________,在竖直位置处两球的总动能为___________。
正确答案
,
有一种测量人体重的电子秤,其原理图如图中的虚线所示,它主要由三部分构成:踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(其实质是电流表).R′为调零电阻,其中AO:BO=5:1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系R=300-0.6F.F单位为牛顿.设踏板的杠杆组件的质量不计,电源电动势为4V,内阻2Ω.一开始R′调到20Ω.则:
(1)如果某物体在踏板上,电流表刻度盘示数为20mA,该物体重量是______N.
(2)在某次测量前,发现空载时指针已经指在10N刻度上,而不是指在“0”刻度位置,则需要调零,
应调节调零电阻R′,使R′______(填“增大、减小”),变化量△R′=______Ω.
(3)下列判断正确的是:
(A)该秤的零刻度线在电流表的0毫安处
(B)该秤的零刻度线在电流表表的最大量程处
(C)该秤的刻度是均匀的
(D)如果长时间使用后,由于电源电压降低,该秤的读数会偏小.
正确答案
由闭合电路欧姆定律
I=可得:
R=-r-R′=200-2-20=178Ω;
则由题意可知,F==
N;
则由杠杆的平衡条件可知:
F•AB=F'•BO
解得;F=1220N;
(2)空载时不指零,说明电路中电流过大,故应增大R′来减小电流;
由R=300-0.6F可知,当F为零时,R=300Ω;
而示数为10N,由力矩平衡条件可知,此时压力为N,则电阻R1=300-1=299Ω;此时示数不为零,
说明电阻偏小,故应增大1Ω;
(3)A、由题意可知,当压力为零时,电路中应有电流,故电流表示数不为零,故A错误;
B、该秤的压力越大,电阻越小,则电流表示数越大,故零刻度应在靠近零的地方,故B错误;
C、由(1)中电流的表达式可知,电流值与压力不成正比,故刻度盘不均匀,故C错误;
D、长时间使用时,由于电动势降低,则相同压力下,电流值减小,故示数减小,故D正确;
故答案为:(1)1220;(2)增大,1;(3)D.
AB两个质量均为m的小球,被一轻杆AB固定,轻杆长AB=L,OA=L/3,杆可绕O点的水平轴无摩擦地转动,初始时杆静止在竖直位置,如图所示,今在B球上施加一水平方向恒力F=mg,试求:
(1)转过900过程中恒力做了多少功?
(2)在转动过程中B球获得的最大速度时AB杆与竖直方向夹角为多大?
(3)在转动过程中B球获得的最大速度是多少?
正确答案
解:(1)W=mgL
(2)B球获得最大速度时,系统处于力矩平衡状态,
设杆和竖直方向夹角为θ,应有:,
可得θ=60°
(3)设B球最大速度为v,则此时A球的速度应为v/2,
根据动能定理:,
v=m/s。
如图所示,绝缘轻杆长L=0.9m,两端分别固定着带等量异种电荷的小球A、B,质量分别为mA=4×10-2kg,mB=8×10-2kg,A球带正电,B球带负电,电荷量q=6.0×10-6C。轻杆可绕过O点的光滑水平轴转动,OB=2OA。一根竖直细线系于杆上OB中点D使杆保持水平,整个装置处在水平向右的匀强电场中,电场强度E=5×104N/C。不计一切阻力,取g=10m/s2,求:
(1)细线对杆的拉力大小;
(2)若将细线烧断,当轻杆转过90°时,A、B两小球电势能总的变化量;
(3)细线烧断后,在杆转动过程中小球A的最大速度。
正确答案
解:
(1)根据有固定转动轴物体的平衡条件,有
=(2×8×10-2-4×10-2)×10=1.2N
(2)杆转过90°时,电场力对两带电小球做正功,电势能减少
=6.0×10-6×5×104×0.9=0.27J
(3)当力矩的代数和为零时,B球的速度达到最大
=
θ=37°
由动能定理:
联立求得:vA=2m/s
如图,质量均为m的两个小球A、B固定在弯成120°角的绝缘轻杆两端,OA和OB的长度均为l,可绕过O点且与纸面垂直的水平轴无摩擦转动,空气阻力不计。设A球带正电,B球带负电,电量均为q,处在竖直向下的匀强电场中。开始时,杆OB与竖直方向的夹角θ0=60°,由静止释放,摆动到θ=90°的位置时,系统处于平衡状态,求:
(1)匀强电场的场强大小E;
(2)系统由初位置运动到平衡位置,重力做的功Wg和静电力做的功We;
(3)B球在摆动到平衡位置时速度的大小v。
正确答案
解:(1)力矩平衡时:(mg-qE)lsin90°=(mg+qE)lsin(120°-90°)
即mg-qE=(mg+qE)
E=
(2)重力做功:Wg=mgl(cos30°-cos60°)-mglcos60°=(-1)mgl
静电力做功:We=qEl(cos30°-cos60°)+qElcos60°=mgl
(3)小球动能改变量△Ek=Wg+We=(-1)mgl
小球的速度v==
如图,在竖直向下,场强为E的匀强电场中,长为l的绝缘轻杆可绕固定轴O在竖直面内无摩擦转动,两个小球A、B固定于杆的两端,A、B的质量分别为m1和m2(m1<m2),A带负电,电量为q1,B带正电,电量为q2。杆从静止开始由水平位置转到竖直位置,在此过程中电场力做功为___________,在竖直位置处两球的总动能为___________。
正确答案
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