Question

5．某兴趣小组为了研究球形物体所受空气阻力（风力）的大小，设计了如图所示的实验，其中CD是长为40cm的光滑均匀电阻丝，总阻值为20欧，OP是质量和电阻均不计的细长金属丝，固定于O点，P点悬挂一小球，无风时OP处于竖直位置，恰好与CD在C点接触，OC长为20cm；当风从右侧水平吹来时，OP将偏离竖直方向，与CD相交于一点（图中虚线所示，两点终保持良好的导电接触），已知电源电压为4V，电压表两接线柱分别与O点、C点相连，量程为3V，P球重力为10N．
（1）当风力变大时，电压表的示数变大．（选填“变大”、“变小”或“不变”）
（2）当OP与竖直方向夹角为45°时，电压表示数为2V．
（3）利用该装置能够测量的水平风力大小在哪个范围？
（4）请对影响风力大小F的因素，作出猜想风速的大小．

Answer 1

分析 （1）电压表的内阻很大、电路中相当于断路，据此可知，电路为CD电阻丝的简单电路，电压表测OP右侧部分电阻丝两端的电压，根据欧姆定律判断风力变大时电压表示数的变化；
（2）根据欧姆定律求出电路中的电流，根据三角函数关系得出细金属丝与竖直方向夹角为45°角时OP右侧部分电阻丝的长度，根据长度关系求出OP右侧部分电阻丝的阻值，再根据欧姆定律求出此时电压表示数；
（3）当电压表满偏时，电压表的示数为3V，根据欧姆定律求出OP右侧部分电阻的大小，进一步求出BC的长度，根据三角函数关系求出细金属丝与竖直方向夹角，此时小球处于平衡状态，受到竖直向下的重力G、水平方向的风力F、沿绳的拉力T，根据力的平衡条件求出风力的大小，进一步得出该装置测量水平风力大小的范围；
（4）分析影响风力大小F的因素进行解答．

解答 解：（1）由电路图可知，电路为CD电阻丝的简单电路，电压表测OP右侧部分电阻丝两端的电压，
当风力变大时，电路中的电阻不变，OP右侧部分电阻丝的电阻变大，
由I=$\frac{U}{R}$可知，电路中的电流不变，
由U=IR可知，OP右侧部分电阻丝两端的电压变大，即电压表的示数变大；
（2）电路中的电流：
I=$\frac{U}{{R}_{CD}}$=$\frac{4V}{20Ω}$=0.2A，
当细金属丝与竖直方向夹角为45°角时，OP右侧部分电阻丝的长度：
l_右=l_OC×tan45°=20cm×1=20cm，
OP右侧部分电阻丝的电阻：
R_右=$\frac{{l}_{右}}{{l}_{CD}}$×R_CD=$\frac{20cm}{40cm}$×20Ω=10Ω，
电压表的示数：
U_右=IR_右=0.2A×10Ω=2V；
（3）当电压表满偏时，OP右侧部分电阻的大小，
R_BC=$\frac{{U}_{BC}}{I}$=$\frac{3V}{0.2A}$=15Ω，
则BC的长度：
l_BC=$\frac{{R}_{BC}}{{R}_{CD}}$×l_CD=$\frac{15Ω}{20Ω}$×40cm=30cm，
对小球受力分析，受重力、水平分力、金属丝的拉力，如图：

tanθ=$\frac{{l}_{BC}}{{l}_{OC}}$=$\frac{30cm}{20cm}$=1.5，
由力的平衡条件可得，此时风力的大小：
F=Gtanθ=12N×1.5=18N，
利用该装置测量水平风力大小的范围为0～18N；
（4）根据装置可知，影响风力大小的因素可能有小球的重力，风速的大小等．
答：（1）变大；
（2）2；
（3）利用该装置测量水平风力大小的范围为0～18N；
（4）风速的大小（合理即可）．

点评 本题是一道电学和力学的综合题，知道风力变化时电路中的电阻不变是关键，难点是找出电阻与角度的数量关系以及风力与角度的关系．