Question

12．小明家新買了一臺多功能LED臺燈，其結構如圖甲所示．S₁是控制LED燈的開關，USB接口可以給手機充電．小明發(fā)現(xiàn)即使S₁斷開，USB接口也能正常使用．安全開關S₂位于臺燈底部的前端，當臺燈傾斜，S₂離開桌面時，它會自動斷開，切斷臺燈的電源．
（1）根據(jù)以上信息，請用筆畫線代替導線，將圖乙中的電路元件接入電路．
（2）曉明對開關S₂很感興趣，并開始研究其功能．它將臺燈點亮，并保持支架和燈頭的夾角不變，試著向后調整支架的位置，當達到圖丙所示的位置時，臺燈雖未傾倒但底座前端剛好翹起，此時S₂斷開，臺燈熄火．如果把臺燈看做是杠桿，此時恰好平衡，則動力臂大于（填“大于”、“等于”或“小于”）阻力臂．
接下來，小明向固定在底座上的筆筒中放入一支鉛筆，這時臺燈底座重新落回桌面，S₂閉合，臺燈亮起．當他再從筆筒中取出這只筆時，臺燈底座前端翹起，再次熄滅．

（3）小明設想：如果利用安全開關S₂，制作一個在手機充電時可以自動斷電的控制裝置，這樣就可以避免因夜間手機充電時間過長而帶來的安全隱患．
經(jīng)過思考小明只借助了濕巾和少量的水，結合學過的蒸發(fā)知識便設計出了一個簡易的裝置．以下是小明給的設計方案，請將其補充完整．
①抽取一張濕巾放進空筆筒中，并把手機數(shù)據(jù)線插入臺燈底座的USB接口，手機開始充電．
②慢慢向后調節(jié)支架，同時觀察手機充電的情況，直至手機剛好停止充電．
③保持支架和燈頭的位置不變，向筆筒中的濕巾倒入適量的水，臺燈平衡，使開關S₂閉合．
④一段時間后，臺燈底座前端自動翹起，開關S₂切斷電路．在不改變支架和燈頭位置的前提下，若要縮短充電時間，可采用的方法是減少筆筒中水的質量．

Answer 1

分析 （1）串聯(lián)電路各用電器相互影響，并聯(lián)電路各支路間互不影響，開關與被控制元件串聯(lián)．由此分析判斷燈與USB接口的連接方式、兩開關的作用，畫出電路圖；
（2）力臂是支點到力的作用線的距離，由圖丙可知兩力臂長比較即可；
（3）利用杠桿的平衡條件，當充電時間與濕巾中水的蒸發(fā)的時間相同時，臺燈恰好傾斜，S₂斷開自動斷開電源設計．

解答 解：
（1）S₁是控制LED燈的開關所以S₁與IED燈串聯(lián)；S₁斷開，USB接口也能正常使用，說明LED燈與USB接口并聯(lián)；S₂斷開，切斷臺燈的電源，所以S₂在干路上，由此連接電路如圖所示：

（2）由圖丙知，支點在O處，作出動力G₁和阻力G₂的力臂，如圖所示：

由圖知，動力臂大于阻力臂；
（3）將筆筒中放入紙巾，加入適量水，放在底座上，當水蒸發(fā)后，其重力減小，根據(jù)杠桿的平衡條件，當動力與動力臂的乘積大于阻力與阻力臂的乘積時杠桿失去平衡，如果充電時間與水蒸發(fā)時間相同時，底座前端剛好翹起，此時S₂斷開，切斷臺燈的電源．若筆筒中水的質量越少，水蒸發(fā)時間短，臺燈失去平衡的時間越短，即充電時間越短．
設計方案：
①抽取一張濕巾放進空筆筒中，并把手機數(shù)據(jù)線插入臺燈底座的USB接口，手機開始充電．
②慢慢向后調節(jié)支架，同時觀察手機充電的情況，直至手機剛好停止充電．
③保持支架和燈頭的位置不變，向筆筒中的濕巾倒入適量的水，臺燈平衡，使開關S₂閉合．
④一段時間后，臺燈底座前端自動翹起，開關S₂切斷電路．在不改變支架和燈頭位置的前提下，若要縮短充電時間，可采用的方法是：減少筆筒中水的質量．
故答案為：（1）見上圖；（2）大于；（3）②停止充電；③向筆筒中的濕巾倒入適量的水，臺燈平衡；④減少筆筒中水的質量．

點評 本題考查了電路圖設計、力臂的認識和理解、以及杠桿平衡條件的應用，第三問巧妙的利用水的蒸發(fā)與杠桿的平衡條件結合起來，體現(xiàn)了物理在生活中的實際應用，考查學生運用知識的能力，是一道好題．