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如图所示,是小宇同学设计的一个实验装置.质量为5kg的物体M1静止于水平导轨AB的B端,导轨AB及支架只可绕着固定于地面上的过C点的转动轴在竖直平面内转动(导轨及支架的形状和尺寸已在图中标出,质量忽略不计).一根沿水平方向的细绳,一端连在物体M1上,一端绕过滑轮组连在电动机的转轴上,电动机转动时,可以通过细绳拉动物体M1沿导轨水平向A端移动.质量为8kg的物体M2放在地面上,并通过细绳挂在动滑轮E2上,在实验操作过程中,M2始终未离开地面.与滑轮组、电动机有关的摩擦不计,动滑轮E2的质量为0.2kg,细绳未发生形变,g取10N/kg.
(1)当电动机的输出功率为2.5W时,刚好可以通过细绳拉动物体M1以0.1m/s的速度沿导轨水平向A端匀速运动,地面对物体M2的支持力为 N1.求细绳对物体M1的拉力为多少?
(2)从物体M1开始运动时起,导轨及支架能保持静止的最长时间为多少?
(3)将物体M1换成另一质量更大的物体,当电动机通过细绳拉动它仍以0.1m/s的速度从B端沿导轨匀速向A端运动时,物体M2受到地面的支持力为N2,且N1:N2=16:1.若此时电动机两端电压为6V,电动机线圈的电阻为2Ω,电动机消耗的电能除了线圈发热外,全部用于对细绳做功,电动机允许通过的最大电流为1A.求此时通过电动机的电流为多少?
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分析:(1)已知功率的大小和物体的速度,根据公式P=FV可求拉力的大小;
(2)匀速拉动时,物体M1所受的拉力与摩擦力是一对平衡力,物体M1所受的摩擦力与导轨所受摩擦力是作用与反作用力,从而可知作用在支架上的摩擦力;进一步求出支架受到的压力的大小,根据杠杆的平衡条件可以求出导轨静止时所受M1的压力的力臂,进一步求出保持静止的时间;
(3)对物体M1和动滑轮进行受力分析,找出等量关系,列出等式地面对物体M2的支持力为N1;再根据Nl与N2的关系求出N2的大小;根据动滑轮上绳子的段数求出绳子的拉力,根据公式P=Fv求出此时电动机的输出功率;根据公式P出2=P2-P损2进一步求出此时通过电动机的电流的大小.
解答:解:(1)细绳对物体M1的拉力拉力F1=
P
v
=
2.5W
0.1m/s
=25N;
(2)作用在支架上的摩擦力f=F=25N.此时支架受到物体M1对它的摩擦力和M1对它的压力的作用,支架受到的压力N=G1=M1g=5×10=50N.
假设导轨静止时所受M1的压力的力臂为l1,所受摩擦力的力臂l2=0.6m,
根据杠杆平衡条件有:
Nl1=fl2
解得:l1=
fl2
N
=
25×0.6
50
=0.3m;
保持静止的时间t=
O1B+O2C-l1
v
=
0.5+0.1-0.3
0.1
=3s;
(3)M2和动滑轮受到重力、绳子拉力、地面支持力的作用,因动滑轮省力一半,于是有:G2+G=2F+N1
N1=m2g+mg-2F=8kg×10N/kg+0.2kg×10N/kg-2×25N=32N;
换M1后,因为Nl:N2=16:1
∴N2=
N1
16
=
32
16
=2N;
此时绳子的拉力F2=
G2+Gd动-N2
2
=
80+2-2
2
=40N;
此时电动机的输出功率为P出2=F2v=40N×0.1m/s=4W;
由P出2=P2-P损2有:UI2-I22r=P出2,即6I2-2I22=4;
解得I2=1(A)或I2=2(A)(不合题意,舍去);
答:(1)细绳对物体M1的拉力为25N;
(2)从物体M1开始运动时起,导轨及支架能保持静止的最长时间为3s;
(3)此时通过电动机的电流为1A.
点评:本题考查拉力、时间、功率、电流等的计算,关键是各种公式及其变形的灵活运用,难点是对物体的受力分析,本题考查知识点较多,难度较大,解题过程中中一定要仔细认真.
练习册系列答案
相关习题

科目:高中物理 来源: 题型:阅读理解

如图1所示,将两个不同的金属电极插入任何一个水果中就可以做成一个水果电池,但日常生活中我们很少用“水果电池”,这是为什么呢?某学习小组的同学准备就此问题进行探究.
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(1)同学们通过查阅资料知道将锌、铜两电极插入水果中,电动势大约会有1伏多一点.晓宇同学找来了一个土豆做实验,当用量程为0~3V、内阻约50kΩ的伏特表测其两极时读数为0.96V.但当他将四个这样的水果电池串起来给标称值为“3V,0.5A”的小灯泡供电时,灯泡并不发光.检查灯泡、线路均没有故障,而用伏特表测量其电压确实能达到3V多.据您猜想,出现这种现象的原因应当是:
 
(不要求写分析、推导过程).
(2)晓宇同学用欧姆表直接测“土豆电池”的两极,读得此时的读数为30Ω.小丽同学用灵敏电流表直接接“土豆电池”的两极,测得电流为0.32mA,根据前面用伏特表测得的0.96V电压,由全电路欧姆定律得:r=
E
I
=
0.96
0.32×10-3
Ω=3.0kΩ
.因而晓宇同学说土豆的内阻为30Ω,而小丽同学则说是3kΩ.
请你判断,用晓宇或小丽同学的方法测量“土豆电池”的内阻,结果是否准确,为什么?请分别说明理由.
(3)若实验室除了导线和开关外,还有以下一些器材可供选择:
A.电流表A1(量程为0~0.6A,内阻为1Ω)
B.灵敏电流表A2(量程为0~0.6mA,内阻为800Ω)
C.灵敏电流表A3(量程为0~300μA,内阻未知)
D.滑动变阻器R1 (最大阻值约10Ω)
E.滑动变阻器R2(最大阻值约2kΩ)
~F.定值电阻(阻值2kΩ)
G.变阻箱(0~9999Ω)
①为了能尽可能准确测定“土豆电池”的电动势和内阻,实验中应选择的器材是
 
(填器材前的字母代号).
②在图2内的方框中画出应采用的电路.

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科目:高中物理 来源:2012届河北省涿鹿中学高考预测理综物理试卷(带解析) 题型:实验题

(10分)将两个金属电极插入水果中可以做成水果电池,但日常生活中我们很少用“水果电池”,这是为什么?某学习小组的同学准备就此问题进行探究。
(1)同学们通过查阅资料知道将锌、铜两电极插入水果中,电动势大约会有1伏多一点。晓宇同学找来了一个土豆做实验,如图,当用量程为0~3V、内阻约50kΩ的伏特表测其两极时读数 为0.96V。但当他将四个这样的水果电池串起来给 “3V,0.5A”的小灯泡供电时,灯泡并不发光。检查灯泡、线路均没有故障,而用伏特表测量其电压确实能达到3V多。据你猜想,出现这 种现象的原因应当是:______ (不要求写分析、推导过程)。

(2)晓宇同学用欧姆表直接测“土豆电池”的两极,测得内阻的读数为30Ω。小丽同学用灵敏电流表直接接“土豆电池”的两极,测得电流为0.32mA,根据前面用伏特表测得的0.96V电压,由全电路欧姆定律得r=3.0kΩ。因而晓宇说土豆的内阻为30Ω,而小丽则说是3kΩ。以下关于两位同学实验过程的分析正确的是_______。
A.晓宇的方法不正确,因水果电池本身有电动势,故不能用欧姆表直接测其内阻
B.晓宇的方法正确,因水果电池本身也是一个导体,可以用欧姆表直接测其电阻
C.小丽的测量结果十分准确,除了读数方面的偶然误差外,系统误差很小
D.小丽的测量结果不准确,因为水果电池内阻很大,用伏特表测得的电动势误差很大,因此计算出的内阻误差也很大
(3)若实验室除了导线和开关外,还有以下一些器材可供选择:
A.电流表A1(量程为0~0.6A,内阻约为1Ω)
B.灵敏电流表A2(量程为0~0.6mA ,内阻约为800Ω)
C.灵敏电流表A3(量程为0~300μA ,内阻未知)
D.滑动变阻器R1(最大阻值约10Ω)
E.滑动变阻器R2(最大阻值约2kΩ)
F.定值电阻(阻值为2kΩ)
G.电阻箱R(0~9999Ω)
①为了能尽可能准确地测定“土豆电池”的电动势和内阻,实验中应       选择的器材是_____ (填器材前的字母代号)。
②在方框中画出应采用的电路。

③实验时,改变电阻箱R的值,记录下电流表的示数I,得到若干组R、I的数据。根据实验数据绘出如图所示的R-图线,由此得出“水果电池”的电动势为       V(保留两位有效数)。按照此实验方法,内电阻的测量值与真实值相比          。(填“偏大”、“偏小”或“相等”)

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科目:高中物理 来源:2011-2012学年河北省高考预测理综物理试卷(解析版) 题型:实验题

(10分)将两个金属电极插入水果中可以做成水果电池,但日常生活中我们很少用“水果电池”,这是为什么?某学习小组的同学准备就此问题进行探究。

(1)同学们通过查阅资料知道将锌、铜两电极插入水果中,电动势大约会有1伏多一点。晓宇同学找来了一个土豆做实验,如图,当用量程为0~3V、内阻约50kΩ的伏特表测其两极时读数 为0.96V。但当他将四个这样的水果电池串起来给 “3V,0.5A”的小灯泡供电时,灯泡并不发光。检查灯泡、线路均没有故障,而用伏特表测量其电压确实能达到3V多。据你猜想,出现这 种现象的原因应当是:______ (不要求写分析、推导过程)。

(2)晓宇同学用欧姆表直接测“土豆电池”的两极,测得内阻的读数为30Ω。小丽同学用灵敏电流表直接接“土豆电池”的两极,测得电流为0.32mA,根据前面用伏特表测得的0.96V电压,由全电路欧姆定律得r=3.0kΩ。因而晓宇说土豆的内阻为30Ω,而小丽则说是3kΩ。以下关于两位同学实验过程的分析正确的是_______。

A.晓宇的方法不正确,因水果电池本身有电动势,故不能用欧姆表直接测其内阻

B.晓宇的方法正确,因水果电池本身也是一个导体,可以用欧姆表直接测其电阻

C.小丽的测量结果十分准确,除了读数方面的偶然误差外,系统误差很小

D.小丽的测量结果不准确,因为水果电池内阻很大,用伏特表测得的电动势误差很大,因此计算出的内阻误差也很大

(3)若实验室除了导线和开关外,还有以下一些器材可供选择:

A.电流表A1(量程为0~0.6A ,内阻约为1Ω)

B.灵敏电流表A2(量程为0~0.6mA ,内阻约为800Ω)

C.灵敏电流表A3(量程为0~300μA ,内阻未知)

D.滑动变阻器R1 (最大阻值约10Ω)

E.滑动变阻器R2(最大阻值约2kΩ)

F.定值电阻(阻值为2kΩ)

G.电阻箱R(0~9999Ω)

①为了能尽可能准确地测定“土豆电池”的电动势和内阻,实验中应        选择的器材是_____  (填器材前的字母代号)。

②在方框中画出应采用的电路。

③实验时,改变电阻箱R的值,记录下电流表的示数I,得到若干组R、I的数据。根据实验数据绘出如图所示的R-图线,由此得出“水果电池”的电动势为        V(保留两位有效数)。按照此实验方法,内电阻的测量值与真实值相比           。(填“偏大”、“偏小”或“相等”)

 

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