Question

如圖是某同學(xué)設(shè)計的“風(fēng)力測試儀”的原理圖．電源電壓6V，R₀為定值保護(hù)電阻，AB為長20cm、阻值為50Ω的均勻電阻絲．OP為質(zhì)量、電阻均不計的金屬細(xì)桿，下端連接一個重為2N的圓球P．閉合開關(guān)S，無風(fēng)時，OP下垂并與電阻絲的B端接觸；有風(fēng)時，圓球 P受風(fēng)力作用，使金屬細(xì)桿OP繞懸掛點O偏轉(zhuǎn)，當(dāng)偏轉(zhuǎn)到電阻絲的A端時，電流表示數(shù)為0.6A．已知懸掛點O與電阻絲B端為10cm，金屬細(xì)桿OP始終與電阻絲AB接觸良好且無摩擦，求：
（1）無風(fēng)時電流表示數(shù)；
（2） 在風(fēng)力作用下，當(dāng)金屬細(xì)桿OP在圖示位置靜止時，作出F_風(fēng)的力臂；
（3） 求當(dāng)金屬細(xì)桿OP滑在AB中點時圓球P受風(fēng)力大小為多少牛？此時電路消耗的總功率為多少？
（4）若將電流表的刻度該改為風(fēng)力刻度值，請問表盤刻度均勻嗎？簡要說明道理；
（5）請你為該設(shè)計提出恰當(dāng)?shù)脑u價或兩點合理化建議．
（本題解答要求：要寫出依據(jù)的主要公式或變形公式，要有數(shù)據(jù)代入和運算結(jié)果）

Answer 1

解：（1）當(dāng)OP偏轉(zhuǎn)到電阻絲的A端時
當(dāng)無風(fēng)時R₀與R_AB串聯(lián)，則電流表的示數(shù)為；
答：無風(fēng)時電流表示數(shù)為0.1A．
（2）力臂l_風(fēng)如圖甲

（3）如圖乙，
由于OB=CB=10cm，又由三角形相似，則得L_風(fēng)=L_G
由杠桿平衡條件得F_風(fēng)L_風(fēng)=GL_G
故有F_風(fēng)=G=2N
此時電流表示
電路消耗的總功率
答：當(dāng)金屬細(xì)桿OP滑在AB中點時圓球P受風(fēng)力大小為2牛，此時電路消耗的總功率為1.03W．
（4）表盤刻度不均勻．理由：由杠桿平衡條件可知，電阻絲接入電路的阻值不與風(fēng)力成正比，再由R₀的存在，電路中的電流與電阻絲接入電路的阻值也不成反比，因此將電流表的刻度該改為風(fēng)力刻度值表盤刻度不均勻．
（5）評價：
優(yōu)點：設(shè)計簡單而靈敏．缺點：由于電流的熱效應(yīng)可知，該電路在工作時電能主要轉(zhuǎn)化成內(nèi)能而損失，既不符合節(jié)能也不符合安全；由于電池電量的下降，表盤指示數(shù)值會不準(zhǔn)確，同時，電路設(shè)計中還缺乏調(diào)零裝置．
建議：（1）增加串聯(lián)滑動變阻器，用作調(diào)零使用；
（2）將電池?fù)Q成穩(wěn)壓電源，增加穩(wěn)定性；
（3）用機械設(shè)計顯示或用電子電路顯示，提高節(jié)能效果．等等．
分析：（1）無風(fēng)時R₀與R_AB串聯(lián)，要想求得電流表的示數(shù)，需先求出R₀的阻值，可利用OP偏轉(zhuǎn)到電阻絲的A端時的情況求出R₀的阻值．
（2）風(fēng)的方向是水平方向，支點到力F_風(fēng)作用線的距離即為F_風(fēng)的力臂．
（3）當(dāng)金屬桿0P滑在AB中點時，金屬桿0P與AB的觸點C和點O、B，組成等腰直角三角形，做出此時作用在金屬桿OP上的力臂，得到一個與三角形COB相似的等腰直角三角形，再利用杠桿平衡原理解得F_風(fēng)．利用歐姆定律求出此時電路中的電流再電功率公式求得電路消耗的功率．
（4）由杠桿平衡條件及R₀的存在，電路中的電流與電阻絲接入電路的阻值也不成正比也不成反比，將電流表的刻度該改為風(fēng)力刻度值表盤刻度不均勻．
（5）該設(shè)計簡單而靈敏，但由于電流的熱效應(yīng)，電路在工作時有能量損失，也不安全；由于電池電量的下降，表盤指示數(shù)值會不準(zhǔn)確，電路設(shè)計中還缺乏調(diào)零裝置．
點評：本題是一道綜合性題目，考查了歐姆定律、電功率的計算公式以及杠桿原理，同時考查了數(shù)形結(jié)合的思想，這是一道相對新型的題目，在以后的做題過程中這樣的題目一定會越來越多，一定要讓學(xué)生審題和看圖，這是關(guān)鍵．