点睛:本题考查了动能定理和圆周运动,会利用动能定理求解最低点的速度,并利用牛顿第二定律求解最低点受到的支持力大小。
11. 如图1所示,用电动势为E、内阻为r的电源,向滑动变阻器R供电。改变变阻器R的阻值,路端电压
U与电流I均随之变化。
(1)以U为纵坐标,I为横坐标,在图2中画出变阻器阻值R变化过程中U-I图像的示意图,并说明U-I图像与两坐标轴交点的物理意义。
(2)a.请在图2画好的U-I关系图线上任取一点,画出带网格的图形,以其面积表示此时电源的输出功率;
b.请推导该电源对外电路能够输出的最大电功率及条件。
(3)请写出电源电动势定义式,并结合能量守恒定律证明:电源电动势在数值上等于内、外电路电势降落之和。
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【答案】(1)U–I图象如图所示:
图象与纵轴交点的坐标值为电源电动势,与横轴交点的坐标值为短路电流 (2)a如图所示:
b. (3)见解析
【解析】(1)U–I图像如图所示,
其中图像与纵轴交点的坐标值为电源电动势,与横轴交点的坐标值为短路电流 (2)a.如图所示
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b.电源输出的电功率:
当外电路电阻R=r时,电源输出的电功率最大,为(3)电动势定义式:
根据能量守恒定律,在图1所示电路中,非静电力做功W产生的电能等于在外电路和内电路产生的电热,即
本题答案是:(1)U–I图像如图所示,
其中图像与纵轴交点的坐标值为电源电动势,与横轴交点的坐标值为短路电流 (2)a.如图所示
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当外电路电阻R=r时,电源输出的电功率最大,为(3)
点睛:运用数学知识结合电路求出回路中最大输出功率的表达式,并求出当R=r时,输出功率最大。 12. (1)静电场可以用电场线和等势面形象描述。
a.请根据电场强度的定义和库仑定律推导出点电荷Q的场强表达式;
b.点电荷的电场线和等势面分布如图所示,等势面S?、S?到点电荷的距离分别为r?、r?。我们知道,电场线的疏密反映了空间区域电场强度的大小。请计算S?、S?上单位面积通过的电场线条数之比N1/N2。
(2)观测宇宙中辐射电磁波的天体,距离越远单位面积接收的电磁波功率越小,观测越困难。为了收集足够强的来自天体的电磁波,增大望远镜口径是提高天文观测能力的一条重要路径。2016年9月25日,世界上最大的单口径球面射电望远镜FAST在我国贵州落成启用,被誉为“中国天眼”。FAST直径为500 m,有效提高了人类观测宇宙的精度和范围。
a.设直径为100 m的望远镜能够接收到的来自某天体的电磁波功率为P?,计算FAST能够接收到的来自该天体的电磁波功率P?;
b.在宇宙大尺度上,天体的空间分布是均匀的,仅以辐射功率为P的同类天体为观测对象,设直径为100 m望远镜能够观测到的此类天体数目是N0,计算FAST能够观测到的此类天体数目N。
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