Question

角速度计可测量航天器自转的角速度ω，其结构如图所示．当系统绕OO′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ω转动时，求：
（1）弹簧形变量x与ω的关系式；
（2）电压表的示数U与角速度ω的函数关系．

Answer 1

分析：当系统在水平面内以角速度ω转动时，由弹簧的弹力提供元件A的向心力，根据牛顿第二定律得到角速度ω与弹簧伸长的长度x的关系式．根据串联电路电压与电阻成正比，得到电压U与x的关系式，再联立解得电压U与ω的函数关系式．

解答：解：（1）设系统在水平面内以角速度ω转动时，弹簧伸长的长度为x，则
对元件A，根据牛顿第二定律得
F_n=ma=mω²R，
F_n=kx=mω²（L₀+x），
即x=

mω2L0

k-mω2

（2）根据题意可知：电压表的示数U=

xE

L

=

mω2L0E

L(k-mω2)

所以电压表的示数U与角速度ω的函数关系为U=

mω2L0E

L(k-mω2)

．
答：（1）弹簧形变量x与ω的关系式为x=

mω2L0

k-mω2

；
（2）电压表的示数U与角速度ω的函数关系为U=

mω2L0E

L(k-mω2)

．

点评：本题是力与电综合题，关键要寻找力电联系的桥梁．本题力电联系的纽带是弹簧伸长的长度．中等难度．