Question

小明、小亮和小敏共同設(shè)計(jì)了一種測(cè)定水平方向風(fēng)力的裝置．其原理如圖（甲）所圖示：絕緣輕彈簧的左端固定在O點(diǎn)，右端與中心有孔、表面豎直的金屬迎風(fēng)板相連，一起套在左端也固定在O點(diǎn)的粗細(xì)均勻、電阻隨長(zhǎng)度均勻變化，且水平放置的金屬桿上，迎風(fēng)板與金屬桿接觸良好；電路中左端導(dǎo)線與金屬桿的左端相連，右端導(dǎo)線連接在迎風(fēng)板上并可隨迎風(fēng)板移動(dòng)，R是定值電阻，a、b、c、d為四個(gè)接線柱．
（1）在他們的設(shè)計(jì)中，若要求在風(fēng)力增大時(shí)，接入電路的電表的示數(shù)也隨之而增大，則應(yīng)該

B

A．在a、b之間接電流表，在c、d之間連接導(dǎo)線
B．只在a、b之間接電流表
C．在c、d之間接電壓表，在a、b之間連接導(dǎo)線
D．只在c、d之間接電壓表
（2）為了較準(zhǔn)確的測(cè)出水平方向風(fēng)力的大小，三位同學(xué)先對(duì)選定的輕彈簧和金屬桿進(jìn)行了兩項(xiàng)測(cè)量．
①小明利用測(cè)量的數(shù)據(jù)做出了原長(zhǎng)為40cm的輕彈簧的長(zhǎng)度l與所受壓力F的關(guān)系圖象[見(jiàn)圖乙]．由圖可知：該彈簧每縮短10cm，彈簧受到的壓力將增加

2

N．
②小亮和小敏設(shè)計(jì)了圖（丙）所示的電路，用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度為50cm的金屬桿的電阻．他們備選的部分器材有：
A．電源（能夠提供3V的穩(wěn)定電壓）
B．電流表A（量程0～0.6A）
C．電壓表V（量程0～3V）
D．滑動(dòng)變阻器R₁，（阻值變化范圍為0～5Ω）
E．滑動(dòng)變阻器R₂（阻值變化范圍為0～10Ω）
選好器材后，小亮和小敏在實(shí)驗(yàn)中正確操作，他們記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)如下表．

實(shí)驗(yàn)次數(shù)	1	2	3	4	5
A表示數(shù)（A）	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6
V表示數(shù)（V）	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0

根據(jù)他們的測(cè)量數(shù)據(jù)可以知道：他們實(shí)驗(yàn)中選用的滑動(dòng)變阻器是

E

（填器材的序號(hào)字母）；他們測(cè)出的金屬桿的電阻是

5

Ω．
（3）三位同學(xué)最后根據(jù)（1）的要求，按圖（甲）進(jìn)行組裝時(shí)，除用到上述選定的輕彈簧、金屬桿和（2）中備選的電源、電表外，還選了阻值R=3Ω的定值電阻．
如果無(wú)風(fēng)時(shí)，O點(diǎn)到迎風(fēng)板的距離以及輕彈簧的長(zhǎng)度均等于彈簧的原長(zhǎng)，則該裝置能夠測(cè)量的最大水平風(fēng)力是

4

N．
（4）對(duì)小明、小亮和小敏設(shè)計(jì)的測(cè)定水平方向風(fēng)力的裝置，從力的角度，請(qǐng)你指出可能對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響的因素之一：

設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮迎風(fēng)板與金屬桿的摩擦力

．

Answer 1

分析：（1）先根據(jù)選項(xiàng)判斷電路的連接方式，再根據(jù)風(fēng)力增大判斷電路電阻的變化，利用歐姆定律和串聯(lián)電路的特點(diǎn)判斷電表示數(shù)的變化；
（2）①分析輕彈簧的長(zhǎng)度l與所受壓力F的關(guān)系圖象可知，當(dāng)風(fēng)力增大時(shí)，彈簧的長(zhǎng)度變短；
②由電路圖可知，金屬桿和滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，電壓表測(cè)金屬桿兩端的電壓；由表格中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)電壓表的示數(shù)為1V時(shí)，電路中的電流為0.2A，根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點(diǎn)求出滑動(dòng)變阻器兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律求出滑動(dòng)變阻器接入電路中的電阻和金屬桿的電阻，進(jìn)一步確定滑動(dòng)變阻器的規(guī)格；
（3）當(dāng)電流表的示數(shù)最大為0.6A時(shí)，風(fēng)力最大，根據(jù)歐姆定律求出定值電阻兩端的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點(diǎn)求出金屬桿兩端的電壓，再根據(jù)歐姆定律求出金屬桿接入電路的電阻，利用金屬桿為50cm時(shí)阻值為5Ω求出此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度，最后由圖乙該裝置能夠測(cè)量的最大水平風(fēng)力；
（4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置，從力的角度如摩擦力、空氣阻力、風(fēng)向等提出可能對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響的因素．

解答：解：
（1）A、在a、b之間接電流表，在c、d之間連接導(dǎo)線時(shí)，會(huì)造成電源短路，故A不正確；
B、只在a、b之間接電流表時(shí)，電路為串聯(lián)電路，電流表測(cè)電路中的電流，當(dāng)風(fēng)力增大時(shí)接入電路的電阻變小，根據(jù)歐姆定律可知電路中的電流變大，故B正確；
C、在c、d之間接電壓表，在a、b之間連接導(dǎo)線，電壓表測(cè)O和迎風(fēng)板之間電阻兩端的電壓，當(dāng)風(fēng)力增大時(shí)接入電路的電阻變小，根據(jù)歐姆定律可知電路中的電流變大，電阻R兩端的電壓變大，根據(jù)串聯(lián)電路的總電壓等于分電阻的電壓之和可知，電壓表的示數(shù)變小，故C不正確；
D、只在c、d之間接電壓表時(shí)，電壓表斷路，故D不正確；
（2）①分析輕彈簧的長(zhǎng)度l與所受壓力F的關(guān)系圖象（如圖乙所示）可知：該彈簧每縮短10cm，彈簧受到的壓力將增加2N；
②由他們記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)可知，當(dāng)電流為0.2A時(shí)，此時(shí)電壓表的示數(shù)為1V，
∵金屬桿和滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，電壓表測(cè)金屬桿兩端的電壓，
∴滑動(dòng)變阻器兩端的電壓值U_滑=3V-1V=2V，
根據(jù)歐姆定律可得R_滑=

U滑

I

=

2V

0.2A

=10Ω，
故他們選擇的是滑動(dòng)變阻器R₂（阻值變化范圍為0～10Ω）；
金屬桿的電阻R_金=

U金

I

=

1V

0.2A

=5Ω；
（3）因電源能夠提供3V的穩(wěn)定電壓，定值電阻的阻值R=3Ω，電流表A的量程是0～0.6A，所以當(dāng)電流最大時(shí)，此時(shí)風(fēng)力最大，
定值電阻兩端的電壓U_R=I′R=0.6A×3Ω=1.8V，
金屬桿兩端的電壓U_金′=U-U_R=3V-1.8V=1.2V，
所以金屬桿的電阻R_金′=

U金′

I′

=

1.2V

0.6A

=2Ω，
由題意可知，當(dāng)金屬桿為50cm時(shí)，阻值為5Ω，所以當(dāng)阻值為2Ω時(shí)，此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度為20cm，
由乙圖可知，此時(shí)風(fēng)力為4N；
（4）設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮迎風(fēng)板與金屬桿的摩擦力；沒(méi)考慮迎風(fēng)板左側(cè)受到的空氣的阻力；試驗(yàn)中難以保證風(fēng)力大小恒定、方向水平等．
故答案為：
（1）B；
（2）①2；②E；5；
（3）4；
（4）設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮迎風(fēng)板與金屬桿的摩擦力（合理即可）．

點(diǎn)評(píng)：本題考查電流、電壓、電阻、長(zhǎng)度等的計(jì)算，關(guān)鍵是公式及其變形的靈活運(yùn)用，難點(diǎn)是分析電路的組成和根據(jù)所給信息總結(jié)規(guī)律，要記住串聯(lián)電路的規(guī)律．