Question

10．珊瑚中學(xué)物理興趣小組設(shè)計(jì)了探測(cè)湖底未知屬性的礦石密度的裝置，其部分結(jié)構(gòu)如圖甲所示．電源電壓為6V，R₁為定值電阻，滑動(dòng)變阻器R₂的阻值隨彈簧的拉力F變化關(guān)系如圖乙，T為容器的閥門．某次探測(cè)時(shí)，水下機(jī)器人潛入10m深的湖底取出礦石樣品M．返回實(shí)驗(yàn)室后，將礦石樣品M懸掛于P點(diǎn)放入容器中，保持靜止?fàn)顟B(tài)．打開(kāi)閥門T，隨著水緩慢注入容器，電壓表示數(shù)U隨容器中水的深度h變化關(guān)系如圖丙中的實(shí)線所示．在電壓表示數(shù)從2V變?yōu)?V的過(guò)程中，電流表示數(shù)變化值為0.2A（彈簧電阻忽略不計(jì)，礦石M不吸水，湖水密度與水相同，g=10N/kg）．求：
（1）定值電阻R₁的阻值是多少？
（2）礦石M的重力為多少？
（3）礦石M浸沒(méi)在水中的浮力為多少？

Answer 1

分析 （1）由電路圖可知，R₁與R₂串聯(lián)，電壓表測(cè)R₂兩端的電壓，電流表測(cè)電路中的電流，根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點(diǎn)求出R₁兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律表示出電路中的電流，利用電流表示數(shù)的變化量得出等式求出R₁的阻值；
（2）結(jié)合圖丙分析知，水的深度為0～0.4cm時(shí)，礦石不受浮力，此時(shí)拉力等于重力；根據(jù)串聯(lián)電路特點(diǎn)和歐姆定律計(jì)算變阻器連入的阻值，由圖乙得到物體重力；
（3）結(jié)合圖丙分析知，水的深度為0.7cm時(shí)，礦石浸沒(méi)在水中，此時(shí)礦石受重力、拉力和浮力平衡．根據(jù)串聯(lián)電路特點(diǎn)和歐姆定律計(jì)算此時(shí)拉力，由稱重法計(jì)算浸沒(méi)時(shí)的浮力大小．

解答 解：
（1）由電路圖可知，R₁與R₂串聯(lián)，電壓表測(cè)R₂兩端的電壓，電流表測(cè)電路中的電流，
由題知，樣品M懸掛于P點(diǎn)放入容器中，保持靜止?fàn)顟B(tài)．打開(kāi)閥門T，隨著水緩慢注入容器，結(jié)合圖丙可知：
當(dāng)電壓表示數(shù)為2V時(shí)，R₂連入阻值最小，此時(shí)電路中電流最大，
串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，所以此時(shí)R₁兩端的電壓：U₁=U-U₂=6V-2V=4V，
電路中的電流：I=I₁=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{1}}$=$\frac{4V}{{R}_{1}}$，
由圖丙可知，當(dāng)電壓表示數(shù)為4V時(shí)，R₂連入阻值最大，此時(shí)電路中電流最小，
此時(shí)R₁兩端的電壓：U₁′=U-U₂′=6V-4V=2V，
電路中的電流：I′=I₁′=$\frac{{U}_{1}′}{{R}_{1}}$=$\frac{2V}{{R}_{1}}$，
由題知，電流表示數(shù)變化值為0.2A，所以：I-I′=$\frac{4V}{{R}_{1}}$-$\frac{2V}{{R}_{1}}$=0.2A，
解得：R₁=10Ω；
（2）由圖甲知，M未與容器底接觸，注入水的過(guò)程中，當(dāng)容器內(nèi)水的深度在0～0.4cm時(shí)，礦石沒(méi)有浸在水中，不受浮力，此時(shí)彈簧的拉力與重力平衡，拉力最大，
此過(guò)程中，滑動(dòng)變阻器連入阻值不變，電壓表示數(shù)為2V，
由串聯(lián)電路特點(diǎn)和歐姆定律可得，此時(shí)電路中電流：
I=I₂=I₁=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{1}}$=$\frac{4V}{10Ω}$=0.4A，
所以變阻器連入阻值：R₂=$\frac{{U}_{2}}{{I}_{2}}$=$\frac{2V}{0.4A}$=5Ω，
由圖乙知，礦石的重G=F₁=22.5N；
（2）隨水注入增加，礦石受到浮力，彈簧的拉力變小，滑片上移，變阻器R₂連入電路的阻值變大，電壓表示數(shù)變大；
由圖丙知，當(dāng)注入容器中水的深度0.7m后，礦石M浸沒(méi)在水中，電壓表示數(shù)為4V，
此時(shí)電路中電流：I′=I₂′=I₁′=$\frac{{U}_{1}′}{{R}_{1}}$=$\frac{2V}{10Ω}$=0.2A，
此時(shí)變阻器連入電路的阻值：R₂′=$\frac{{U}_{2}′}{{I}_{2}′}$=$\frac{4V}{0.2A}$=20Ω，
由圖乙知，此時(shí)彈簧拉力F₂=15N，
所以礦石M浸沒(méi)在水中的浮力為：F_浮=G-F₂=22.5N-15N=7.5N．
答：（1）定值電阻R₁的阻值是10Ω；
（2）礦石M的重力為22.5N；
（3）礦石M浸沒(méi)在水中的浮力為7.5N．

點(diǎn)評(píng) 本題是一道力學(xué)和電學(xué)的綜合題，主要考查了串聯(lián)電路的特點(diǎn)、歐姆定律、阿基米德原理等知識(shí)．本題的難點(diǎn)在結(jié)合圖丙分析得出注入水的物理過(guò)程，明確兩個(gè)拉力的含義．