Question

【題目】某物理研究小組利用壓力傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)水位報(bào)警裝置，工作原理如圖甲所示。其中柱形“浮力柱”重 40N，底面積 500cm2，通過(guò)輕質(zhì)連桿與壓力傳感器 R 相連；已知報(bào)警器 R0 的阻值恒為 10Ω，壓力傳感器受到的壓力 F 與阻值 R 的變化關(guān)系如圖乙所示。當(dāng)傳感器承受的壓力為 0N 時(shí)，閉合開關(guān) S，電壓表的示數(shù)為 1V，電壓表的量程是 0~3V。求：

（1）當(dāng)水位高度至少為多少時(shí)，傳感器開始承受到浮桿的壓力______？

（2）電源電壓___________；

（3）若當(dāng)水位上升到 40cm 時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警，則此時(shí)電壓表的示數(shù)是________?

（4）在壓力傳感器（包括連桿長(zhǎng)度）不變的前下，若要在水位 40cm 時(shí)設(shè)置更大的報(bào)警電壓。

①若僅改進(jìn)電學(xué)元件參數(shù)，則可以____________。

②若僅改進(jìn)“浮力柱”參數(shù)，則可以__________.。

Answer 1

【答案】0.08m； 4V； 2V； 見(jiàn)詳解 見(jiàn)詳解

【解析】

(1)[1]當(dāng)浮力柱受到的浮力略大于重力時(shí)，傳感器開始承受到浮桿的壓力，當(dāng)浮力等于重力時(shí)，浮力柱排開水的體積為

浮力柱浸入的深度為

即水位高度至少0.08m時(shí)，傳感器開始承受到浮桿的壓力。

(2)[2]當(dāng)傳感器承受的壓力為0時(shí)，根據(jù)圖像可得壓敏電阻為30Ω，電壓表示數(shù)為1V，即R0電壓為1V，則電路中的電流為

電源電壓為

(3)[3]當(dāng)水位升至40cm時(shí)，此時(shí)浮柱承受浮力為

壓敏電阻所受壓力為

有圖可知此時(shí)壓敏電阻的阻值為10Ω，由串聯(lián)分壓規(guī)律可知

所以此時(shí)電壓表示數(shù)為

(3)[4]若僅改進(jìn)電學(xué)元件參數(shù)，使水位40cm時(shí)R0兩端電壓增大，此時(shí)壓敏電阻阻值與原來(lái)相同，增大R0或增大電源電壓即可達(dá)成目標(biāo)。

[5]若僅改變浮力柱參數(shù)，使水位40cm時(shí)R0兩端電壓增大，需要壓敏電阻比原來(lái)更小，即浮力柱對(duì)壓敏電阻的壓力比原來(lái)更大，可以減小浮力柱的重力或者增大浮力柱的底面積。