Question

12．小明家新买了一台多功能LED台灯，其结构如图甲所示．S₁是控制LED灯的开关，USB接口可以给手机充电．小明发现即使S₁断开，USB接口也能正常使用．安全开关S₂位于台灯底部的前端，当台灯倾斜，S₂离开桌面时，它会自动断开，切断台灯的电源．
（1）根据以上信息，请用笔画线代替导线，将图乙中的电路元件接入电路．
（2）晓明对开关S₂很感兴趣，并开始研究其功能．它将台灯点亮，并保持支架和灯头的夹角不变，试着向后调整支架的位置，当达到图丙所示的位置时，台灯虽未倾倒但底座前端刚好翘起，此时S₂断开，台灯熄火．如果把台灯看做是杠杆，此时恰好平衡，则动力臂大于（填“大于”、“等于”或“小于”）阻力臂．
接下来，小明向固定在底座上的笔筒中放入一支铅笔，这时台灯底座重新落回桌面，S₂闭合，台灯亮起．当他再从笔筒中取出这只笔时，台灯底座前端翘起，再次熄灭．

（3）小明设想：如果利用安全开关S₂，制作一个在手机充电时可以自动断电的控制装置，这样就可以避免因夜间手机充电时间过长而带来的安全隐患．
经过思考小明只借助了湿巾和少量的水，结合学过的蒸发知识便设计出了一个简易的装置．以下是小明给的设计方案，请将其补充完整．
①抽取一张湿巾放进空笔筒中，并把手机数据线插入台灯底座的USB接口，手机开始充电．
②慢慢向后调节支架，同时观察手机充电的情况，直至手机刚好停止充电．
③保持支架和灯头的位置不变，向笔筒中的湿巾倒入适量的水，台灯平衡，使开关S₂闭合．
④一段时间后，台灯底座前端自动翘起，开关S₂切断电路．在不改变支架和灯头位置的前提下，若要缩短充电时间，可采用的方法是减少笔筒中水的质量．

Answer 1

分析 （1）串联电路各用电器相互影响，并联电路各支路间互不影响，开关与被控制元件串联．由此分析判断灯与USB接口的连接方式、两开关的作用，画出电路图；
（2）力臂是支点到力的作用线的距离，由图丙可知两力臂长比较即可；
（3）利用杠杆的平衡条件，当充电时间与湿巾中水的蒸发的时间相同时，台灯恰好倾斜，S₂断开自动断开电源设计．

解答 解：
（1）S₁是控制LED灯的开关所以S₁与IED灯串联；S₁断开，USB接口也能正常使用，说明LED灯与USB接口并联；S₂断开，切断台灯的电源，所以S₂在干路上，由此连接电路如图所示：

（2）由图丙知，支点在O处，作出动力G₁和阻力G₂的力臂，如图所示：

由图知，动力臂大于阻力臂；
（3）将笔筒中放入纸巾，加入适量水，放在底座上，当水蒸发后，其重力减小，根据杠杆的平衡条件，当动力与动力臂的乘积大于阻力与阻力臂的乘积时杠杆失去平衡，如果充电时间与水蒸发时间相同时，底座前端刚好翘起，此时S₂断开，切断台灯的电源．若笔筒中水的质量越少，水蒸发时间短，台灯失去平衡的时间越短，即充电时间越短．
设计方案：
①抽取一张湿巾放进空笔筒中，并把手机数据线插入台灯底座的USB接口，手机开始充电．
②慢慢向后调节支架，同时观察手机充电的情况，直至手机刚好停止充电．
③保持支架和灯头的位置不变，向笔筒中的湿巾倒入适量的水，台灯平衡，使开关S₂闭合．
④一段时间后，台灯底座前端自动翘起，开关S₂切断电路．在不改变支架和灯头位置的前提下，若要缩短充电时间，可采用的方法是：减少笔筒中水的质量．
故答案为：（1）见上图；（2）大于；（3）②停止充电；③向笔筒中的湿巾倒入适量的水，台灯平衡；④减少笔筒中水的质量．

点评 本题考查了电路图设计、力臂的认识和理解、以及杠杆平衡条件的应用，第三问巧妙的利用水的蒸发与杠杆的平衡条件结合起来，体现了物理在生活中的实际应用，考查学生运用知识的能力，是一道好题．