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    3．某物理课外制作小组设计了一种测定风力的装置，其原理如图1所示，迎风板与一轻质弹簧一端相连，穿在光滑的金属杆上，弹簧由绝缘材料制成，均匀金属杆的阻值随长度均匀变化，工作时迎风板总是正对风吹来的方向．电路中左端导线与金属杆M端相连，右端导线接在迎风板上N点并可随迎风板在金属杆上滑动，两端导线与金属杆均接触良好． 已知电源电压恒为4.5V，定值电阻R=1Ω，金属杆接入电路中Rx与迎风板所承受的风力F的关系如图2所示，

    （1）若电路中接入一个电压表，使电压表示数随风力的增大而增大，请在适当的位置画出电压表．
    （2）无风时，求电压表的示数和定值电阻R消耗的电功率；
    （3）如果电压表的量程为0～3V，求该装置所能测量的最大风力．

    分析 （1）定值电阻R与金属杆串联，风力越大，金属杆接入电路的电阻越小，电路电流越大，定值电阻R两端的电压就越大，金属杆两端的电压就越小；
    （2）从关系图中可以看出，当无风时，金属杆接入电路中的电阻RX为3.5Ω，根据欧姆定律可求此时电路的总电流，再根据公式U=IR求出定值电阻R两端的电压，就是电压表的示数，利用P=I2R求出R消耗的电功率；
    （3）电压表示数最大为3V，根据欧姆定律可求此时电路的总电流，再用电源电压减去电压表的示数就是金属杆两端的电压，利用欧姆定律求出金属杆的电阻，对照图象可知风力的大小．

    解答 解：（1）由定值电阻R与金属杆串联，风力越大，金属杆接入电路的电阻越小，电路电流越大，定值电阻R两端的电压就越大，金属杆两端的电压就越小；
    所以要使电压表示数随风力的增大而增大，电压表应与定值电阻R并联，如下图甲所示；

    （2）由图象可知：定值电阻R与金属杆串联，无风时，迎风板所承受的风力F为0，此时金属杆接入电路中的电阻Rx为3.5Ω，
    根据串联电路中总电阻等于各分电阻之和和欧姆定律可得，
    电路中的电流I=$\frac{U}{R+{R}_{x}}$=$\frac{4.5V}{1Ω+3.5Ω}$=1A，
    R两端电压就是电压表的示数：
    UR=IR=1A×1Ω=1V；
    R消耗的电功率PR=I2R=（1A）2×1Ω=1W；
    （3）当电压表示数为3V时，R两端电压U1=3V，
    由串联电路中总电压等于各分电压之和可知：
    金属杆两端电压Ux=U-U1=4.5V-3V=1.5V，
    电路中的电流：
    I总=$\frac{{U}_{1}}{R}$=$\frac{3V}{1Ω}$=3A，
    由I=$\frac{U}{R}$可知金属杆电阻：
    R1=$\frac{{U}_{x}}{{I}_{总}}$=$\frac{1.5V}{3A}$=0.5Ω，
    分析图象可知最大风力为720N．
    答：（1）电压表的位置如上图所示；
    （2）无风时，电压表的示数为1V；R消耗的电功率为1W；
    （3）如果电压表的量程为0～3V，该装置所能测量的最大风力为720N．

    点评 本题考查电压、电流、电阻的计算，关键是欧姆定律的公式及其变形的应用以及串联电路电压的规律，还要学会从所给信息中找到有用的数据，会看数据图象．

    练习册系列答案
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    （1）已提供的器材是磅秤和皮尺，还需要的器材是秒表；
    （2）下表是两位同学的实验数据：
    同学实验次数做功时间（秒）做功（焦）
    甲1306000
    甲26012000
    乙3304000
    乙4506000
    （3）比较实验次数1和3可得到：当做功时间相同时，做功越多，做功越快；
    （4）比较实验次数1和4可知：当两位同学做功多少相同时，做功时间越少，做功越快；
    （5）当他们做功多少和做功时间均不相同时，单位时间内做功越多，做功越快．因此，为了比较两位同学做功的快慢，应该在表格最后一列增加一栏项目，这个项目是做功/做功时间（焦/秒）（要写上单位），为此物理学中引入了一个新的物理量叫功率．

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