Question

11．小明、小亮和小敏共同设计了一种测定水平方向风力的装置，其原理图如图甲所示．绝缘轻弹簧的左端固定在O点，右端与中心有孔、表面竖直的金属迎风板相连，一起套在左端固定在O点的粗细均匀、电阻随长度均匀变化，且水平放置的金属杆上，迎风板与金属杆接触良好．电路中左端导线与金属杆的左端相连，右端导线连接在迎风板上并可随迎风板上并可随迎风版移动，R是定值电阻，a、b、c、d为四个接线柱．

（1）在他们的设计中，若要求在风力增大时，接入电路的电表的示数也随之而增大，则应该B
A．在a、b之间接电流表，在c、d之间连接导线    B．只在a、b之间接电流表
C．在c、d之间接电压表，在a、b之间连接导线    D．只在c、d之间接电压表
（2）为了较准确的测出水平方向风力的大小，三位同学先对选定的轻弹簧和金属杆进行了两项测量．
①小明利用测量的数据作出了原长为40cm的轻弹簧的长度L与所受压力F的关系图象（如图乙所示）．由图可知：该弹簧每缩短10cm，弹簧受到的压力将增加2N．
②小亮和小敏设计了如图（丙）所示的电路，用来测量长度为50cm的金属杆的电阻．他们备选的部分器材有：
A．电源（能够提供3V的稳定电压）
B．电流表A（量程0～0.6A）
C．电压表V（量程0～3V）
D．滑动变阻器R₁（阻值变化范围为0～5Ω）
E．滑动变阻器R₂（阻值变化范围为0～10Ω）
选好器材后，小亮和小敏在实验中正确操作，他们记录的测量数据如下表：

实验次数	1	2	3	4	5
A表示数I/A	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6
V表示数U/V	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0

根据他们的测量数据可以知道：他们实验中选用的滑动变阻器是E（填器材的序号字母），他们测出的金属杆的电阻为5Ω．
（3）三位同学最后根据（1）的要求，按图甲进行组装时，除用到上述选定的轻弹簧、金属杆和（2）中备选的电源、电表外，还选了阻值R=3Ω的定值电阻，目的是保护电路．如果无风时，O点到迎风板玻璃的距离以及轻弹簧的长度均等于弹簧的原长，则该装置能够测量的最大水平风力是4N．
（4）对小明、小亮和小敏设计的测定水平方向风力的装置，从力的角度，请你指出可能对测量准确度产生影响的因素之一：迎风板与金属杆有摩擦．

Answer 1

分析 （1）先根据选项判断电路的连接方式，再根据风力增大判断电路电阻的变化，利用欧姆定律和串联电路的特点判断电表示数的变化；
（2）分析轻弹簧的长度l与所受压力F的关系图象可知，当风力增大时，弹簧的长度变短；
当电流最小时，连入电路中的滑动变阻器的阻值最大，根据欧姆定律R=$\frac{U}{I}$可以求出滑动变阻器的阻值；
（3）因所给电流表A的量程是0～0.6A，所以当电流最大时，风力最大，根据欧姆定律可以求解此时连入电路中的金属杆阻值，求出对应的长度，查表可知风力的大小．
（4）根据实验装置，从力的角度如摩擦力、空气阻力、风向等提出可能对测量准确度产生影响的因素．

解答 解：
（1）A、在a、b之间接电流表，在c、d之间连接导线时，会造成电源短路，故A不正确；
B、只在a、b之间接电流表时，电路为串联电路，电流表测电路中的电流，当风力增大时接入电路的电阻变小，根据欧姆定律可知电路中的电流变大，故B正确；
C、在c、d之间接电压表，在a、b之间连接导线，电压表测O和迎风板之间电阻两端的电压，当风力增大时接入电路的电阻变小，根据欧姆定律可知电路中的电流变大，电阻R两端的电压变大，根据串联电路的总电压等于分电阻的电压之和可知，电压表的示数变小，故C不正确；
D、只在c、d之间接电压表时，电压表断路，故D不正确；
（2）①分析轻弹簧的长度l与所受压力F的关系图象（如图乙所示），由图可知：该弹簧每缩短10cm，弹簧受到的压力将增加2N；
②由他们记录的测量数据可知，当电流为0.2A时，此时电压表的示数为1V，
所以滑动变阻器两端的电压值为3V-1V=2V，根据公式R=$\frac{U}{I}$=$\frac{2V}{0.2A}$=10Ω，所以他们选择的是滑动变阻器R₂（阻值变化范围为0～10Ω）；
金属杆的电阻R′=$\frac{U′}{I}$=$\frac{1V}{0.2A}$=5Ω；
（3）因电源能够提供3V的稳定电压，定值电阻的阻值R=3Ω，电流表A的量程是0～0.6A，所以当电流最大时，此时风力最大，
金属杆两端的电压=3V-0.6A×3Ω=1.2V，
所以R=$\frac{U}{I}$=$\frac{1.2V}{0.6A}$Ω=2Ω，
由题意可知，当金属杆为50cm时，阻值为5Ω，所以当阻值为2Ω时，此时弹簧的长度为20cm，
由乙图可知，此时风力为4N；
（4）设计中没有考虑迎风板与金属杆的摩擦力；没考虑迎风板左侧受到的空气的阻力；试验中难以保证风力大小恒定、方向水平等．
故答案为：（1）B；（2）①2；②E；5；（3）保护电路；4；（4）迎风板与金属杆有摩擦．

点评 解决此类综合性的题目，首先要理解好题意，结合电路的动态分析，利用欧姆定律分析求解．