Question

【题目】在物理课外实验探究活动中，某小组设计了一个能反映水平风力大小的装置，如图甲所示，电源电压恒为16V，R0为定值电阻，L为额定电压是2.5V的小灯泡，其I﹣U关系的部分数据如图乙所示，AB为长14cm、阻值60Ω粗细均匀的电阻丝（电阻丝的阻值与长度成正比），OP为质量、电阻均不计的金属细杆，下端连接一个重2N的圆球P．闭合开关S，无风时，OP下垂并与A端接触，此时电流表示数为0.2A；有风时，OP绕悬挂点O转动，风对球的作用力F方向始终水平向右，已知OA为10cm，OP始终与AB接触良好且无摩擦；求：

（1）电流表示数为0.2A时，灯泡的电阻为多少？

（2）无风时R0消耗的电功率？

（3）有风时，为防止灯泡烧坏，求电阻丝AB接入电路中的最小阻值？

（4）此时允许风对球施加的最大作用力为多少？（OP可看做以O为支点的杠杆）

Answer 1

【答案】（1）5Ω；（2）0.6W；（3）30Ω；（4）1.4N。

【解析】

（1）由电路图可知，灯泡L、定值电阻R0和电阻丝串联，电流表测电路中的电流，当电流表示数为0.2A时，由图乙可知此时灯泡两端的电压为1V，由I＝可得，灯泡的电阻：RL＝=＝5Ω；

（2）无风时，OP下垂并与A端接触，电阻丝接入阻值最大为60Ω，电阻丝两端的电压：UAB＝IRAB＝0.2A×60Ω＝12V，因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以，R0两端的电压：U0＝U﹣UL﹣UAB＝16V﹣1V﹣12V＝3V，则此时R0消耗的电功率：P0＝U0I＝3V×0.2A＝0.6W；

（3）R0的阻值：R0＝=＝15Ω，为防止灯泡烧坏，灯泡两端的电压UL额＝2.5V，由图乙可知，电路的最大电流I′＝0.3A，此时风对球的压力最大，OP绕O转动的角度最大，设此时OP与AB的接触点为C，

R0两端的电压：U0′＝I′R0＝0.3A×15Ω＝4.5V，RBC两端的电压：UBC＝U﹣UL额﹣U0′＝16V﹣2.5V﹣4.5V＝9V，此时电阻丝连入电路的电阻：RBC＝＝30Ω，即电阻丝AB接入电路中的最小阻值为30Ω；

（4）因电阻丝的电阻与电阻丝的长度成正比，所以，BC＝×AB＝×14cm＝7cm，则AC＝AB﹣BC＝14cm﹣7cm＝7cm，如图，把OP视为杠杆，F的力臂为OD，G的力臂等于PD，根据杠杆平衡条件可得：F×OD＝G×PD，则：=，根据相似三角形的知识可得：=，所以，=，则：F＝×G＝×2N＝1.4N。