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力传感器在电子秤中的应用

电子秤所使用的测力装置是力传感器．常见的一种力传感器由弹簧钢和应变片组成，其结构示意图如图1－14甲所示．弹簧钢右端固定，在其上、下表面各贴一个相同的应变片．若在弹簧钢的自由端施加向下的作用力F，则弹簧钢发生弯曲，上应变片被拉伸，下应变片被压缩．力越大，弹簧钢的弯曲程度越大．应变片结构如图乙所示，其中金属电阻丝的阻值对长度变化很敏感．给上、下金属电阻丝提供相等且大小不变的电流，上应变片两引线间电压为U₁，下应变片两引线间电压为U₂，传感器把这两个电压的差值U(U＝U₁－U₂)输出，用来反映力F的大小．金属电阻丝的阻值随温度会发生变化，其变化情况如图丙所示．为消除气温变化对测量精度的影响，需分别在上、下应变片金属电阻丝与引线之间串联一只合适的电阻，进行温度补偿．串联合适的电阻后，测量结果不再受温度影响．

(1)这种力传感器是将力的大小转换为________(填“电流”或“电压”)的装置．

(2)外力F增大时，下列说法正确的是________．

A．上、下应变片金属电阻丝电阻都增大

B．上、下应变片金属电阻丝电阻都减小

C．上应变片金属电阻丝电阻减小，下应变片金属电阻丝电阻增大

D．上应变片金属电阻丝电阻增大，下应变片金属电阻丝电阻减小

(3)传感器输出的电压U随外力F增大而________．

(4)进行温度补偿时，应给上金属电阻丝串联阻值随温度升高而________的电阻，下金属电阻丝串联阻值随温度升高而________的电阻．

(5)如果未进行温度补偿，自由端受到相同的力F作用，该传感器下应变片两端的电压在冬天比夏天________(填“大”或“小”)．

图1－14

在探究“导体的电阻跟哪些因素有关”的问题时，某老师引导学生作了如下的猜想：

猜想1：导体的电阻可能跟导体的横截面积有关；

猜想2：导体的电阻可能跟导体的长度有关；

猜想3：导体的电阻可能跟导体的材料有关。

图14是他们进行实验探究的器材，演示板上固定了四条金属电阻丝，a、b、c三条长度均是1m，d的长度0．5m；a、b的横截面积相同，材料不同；a、c的材料相同，但c的横截面积大于a；a、d的材料和横截面积都相同，

（1）在探究电阻跟横截面积的关系时，可依次把M、N跟______的两端连接，闭合开关，记下电流表的示数，分析比较这两根金属丝电阻的大小。

（2）依次把M、N跟a、d的两端连接，闭合开关，记下电流表示数，分析比较a、d两根金属丝电阻的大小，可探究电阻跟____________的关系，其结论是：__________。

（3）以上方法在研究物理问题时经常用到，被称为控制变量法。试根据学过的物理知识再列出两例用这种方法研究的问题：__________________。

（4）一般说来，所有物体都有电阻。探究过程中，又有同学提出猜想4：电阻还可能跟温度有关。请用一个如图15废灯泡的灯芯设计一个实验来研究这个问题，要求：①说出方法。②画出电路图

第十五届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题

    一、(14分)王伟同学研究了均匀拉紧的琴弦发音频率与弦长的关系，并记录了实测的数据(如下表所示)。请你根据记录表格中的有关数据，分析并估算出他有意留出的空格中应该填写的数据(要求写出估算的过程)。

二、(14分)类比水压是形成水流的原因，李楠同学猜想，血液在血管内流动时也需要一定的压力差来维持。假设血液匀速通过长度一定的血管时，受到的阻力f与血液的流速v成正比，即f=kv。那么，要想让血液匀速流过，血管两端就需要一定的压力差。设血管截面积为S₁时，两端所需的压强差为△p₁；若血管截面积减少10％时，为了维持在相同的时间内流过同样体积的血液，压强差必须变为△p₂。请你通过计算比较△P₁、△P₂的大小，说明血管变细可能是诱发高血压的重要因素之一。

    三、(16分)下表是某锅炉厂生产的CWNG系列三种锅炉的主要技术参数。

CWNG系列三种锅主要技术参数

    已知水的比热容为4.2×10³J／（kg·℃），假设三种锅炉的燃煤效率相同，且煤均可达到完全燃烧。请根据上表回答以下问题：

    1．根据表格中的已知数据，请在表格中的四个(    )内填上合适的数据。

    2．按表格中的出水温度和回水温度，计算CWNGl．05—80／60AH型锅炉每小时给住宅内释放的热量是多少。

3．根据表格中已知数据计算燃烧的热值为多少。

四、(16分)李明得到一个国外生产的电热暖手器，铭牌上表示额定值的字样中，能看清楚的只有"24W"这几个字。为了能正确使用该电器，他把一只标有"600Ω，0.4A'’的定值电阻与电热暖手器和开关串联起来，连接到家庭照明电路中，然后进行如下实验观察：将开关接通后，电能表转盘转动137圈恰好用了100s；断开开关后，电能表转盘在1 min内恰好转了80圈；观察电能表上标有3000r(kW·h)的字样；他在做实验的时间内，家中其他用电器的使用情况没有变化。请根据以上数据，计算电热暖手器的额定电压是多少?你在计算过程中忽略了什么因素的影响?由此导致的计算结果是偏大还是偏小?

    五、(20分)一所农村中学常常因为不能及时给水塔注水而停水，科技小组的同学知道后，利用下图所示的器材设计了一个自动注水模拟装置。A为浮子(浮子及其连杆总重约15N)，在浮子连杆的上端有一可移动金属触头B(其受重力可忽略不计)，它可以分别将其上、下的两个固定触点连通。C为水塔上的圆桶形蓄水池；M为配有电动机的水泵(电泵)；D₁、D₂为弹簧，E₁、E₂为衔铁，F₁、F₂为电磁铁线圈；K₁为最高水位限位开关。K₂为最低水位限位开关，K₃、K₄、K₅均为由电磁铁衔铁带动的触头开关。电磁铁F₁通电时，K₄接通，断电时，K₃接通。电磁铁F₂断电时，K₅接通。S₁、S₂为开关。

    1．请你按照下图所示的器材，连接一个可以实现自动注水的模拟电路，并说明自动注水的过程。

    2．要实现自动注水的要求，浮子的最小体积约为多大?(g=10N／kg)

    3．若设计要求每次自动注水需在10min内完成，需要知道或测量哪些物理量才能得到相匹配电泵的最小额定功率?请你用字母表示这些物理量，推导出电泵最小额定功率的表达式。在你的计算过程中，如果运用了近似条件，请说明。

    六、(20分)在当今世界，研制各种机器都必需考虑节约能源和治理废气污染这一重要课题。在内燃机中，废气带走了很多能量，如果能将这些能量再利用起来，会使内燃机的效率提高许多。某工厂科研人员研制生产的四冲程汽车专用柴油发动机，就采用了很多新技术。其中最重要的一项叫“增压”技术，它是利用“废气涡轮增压器”使排气冲程中排出的高温、高压的废气去冲击“废气涡轮”高速旋转，它同时又带动同轴的进气系统中的“进气涡轮”也高速旋转，从而增加吸气冲程的进气量并增大进气气压，使做功冲程中柴油燃烧的更充分，燃气压强更大，同时也减少了废气中的有害物质，达到提高柴油发动机效率和减少废气污染的目的。这种柴油发动机有6个气缸，气缸直径为ll0mm，活塞行程为135mm，当转速为2300r／min时，发动机功率为220kW，最低油耗可达240g／(kW·h)，柴油的热值为4.3×10⁷J／kg。请回答下列问题：

    1．该柴油发动机的效率最高可达多少?

    2．在做功冲程中气缸内的平均压强是多少?

    3．如果将我国这种机型的汽车柴油发动机都安装“增压器”后，能使它们的平均效率由原来约31％提高到近35％，安装前按每年消耗3亿吨柴油估算，这项技术每年能为我国节约多少吨柴油?

    4．如果目前我国柴油的平均价格为3750元／吨，根据上面的估算结果，计算使用“增压”技术后仅节约柴油一项可使我国每年节约多少资金。由此你有哪些认识?

第十五届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题

    一、(14分)王伟同学研究了均匀拉紧的琴弦发音频率与弦长的关系，并记录了实测的数据(如下表所示)。请你根据记录表格中的有关数据，分析并估算出他有意留出的空格中应该填写的数据(要求写出估算的过程)。

二、(14分)类比水压是形成水流的原因，李楠同学猜想，血液在血管内流动时也需要一定的压力差来维持。假设血液匀速通过长度一定的血管时，受到的阻力f与血液的流速v成正比，即f=kv。那么，要想让血液匀速流过，血管两端就需要一定的压力差。设血管截面积为S₁时，两端所需的压强差为△p₁；若血管截面积减少10％时，为了维持在相同的时间内流过同样体积的血液，压强差必须变为△p₂。请你通过计算比较△P₁、△P₂的大小，说明血管变细可能是诱发高血压的重要因素之一。

    三、(16分)下表是某锅炉厂生产的CWNG系列三种锅炉的主要技术参数。

CWNG系列三种锅主要技术参数

    已知水的比热容为4.2×10³J／（kg·℃），假设三种锅炉的燃煤效率相同，且煤均可达到完全燃烧。请根据上表回答以下问题：

    1．根据表格中的已知数据，请在表格中的四个(    )内填上合适的数据。

    2．按表格中的出水温度和回水温度，计算CWNGl．05—80／60AH型锅炉每小时给住宅内释放的热量是多少。

3．根据表格中已知数据计算燃烧的热值为多少。

四、(16分)李明得到一个国外生产的电热暖手器，铭牌上表示额定值的字样中，能看清楚的只有"24W"这几个字。为了能正确使用该电器，他把一只标有"600Ω，0.4A'’的定值电阻与电热暖手器和开关串联起来，连接到家庭照明电路中，然后进行如下实验观察：将开关接通后，电能表转盘转动137圈恰好用了100s；断开开关后，电能表转盘在1 min内恰好转了80圈；观察电能表上标有3000r(kW·h)的字样；他在做实验的时间内，家中其他用电器的使用情况没有变化。请根据以上数据，计算电热暖手器的额定电压是多少?你在计算过程中忽略了什么因素的影响?由此导致的计算结果是偏大还是偏小?

    五、(20分)一所农村中学常常因为不能及时给水塔注水而停水，科技小组的同学知道后，利用下图所示的器材设计了一个自动注水模拟装置。A为浮子(浮子及其连杆总重约15N)，在浮子连杆的上端有一可移动金属触头B(其受重力可忽略不计)，它可以分别将其上、下的两个固定触点连通。C为水塔上的圆桶形蓄水池；M为配有电动机的水泵(电泵)；D₁、D₂为弹簧，E₁、E₂为衔铁，F₁、F₂为电磁铁线圈；K₁为最高水位限位开关。K₂为最低水位限位开关，K₃、K₄、K₅均为由电磁铁衔铁带动的触头开关。电磁铁F₁通电时，K₄接通，断电时，K₃接通。电磁铁F₂断电时，K₅接通。S₁、S₂为开关。

    1．请你按照下图所示的器材，连接一个可以实现自动注水的模拟电路，并说明自动注水的过程。

    2．要实现自动注水的要求，浮子的最小体积约为多大?(g=10N／kg)

    3．若设计要求每次自动注水需在10min内完成，需要知道或测量哪些物理量才能得到相匹配电泵的最小额定功率?请你用字母表示这些物理量，推导出电泵最小额定功率的表达式。在你的计算过程中，如果运用了近似条件，请说明。

    六、(20分)在当今世界，研制各种机器都必需考虑节约能源和治理废气污染这一重要课题。在内燃机中，废气带走了很多能量，如果能将这些能量再利用起来，会使内燃机的效率提高许多。某工厂科研人员研制生产的四冲程汽车专用柴油发动机，就采用了很多新技术。其中最重要的一项叫“增压”技术，它是利用“废气涡轮增压器”使排气冲程中排出的高温、高压的废气去冲击“废气涡轮”高速旋转，它同时又带动同轴的进气系统中的“进气涡轮”也高速旋转，从而增加吸气冲程的进气量并增大进气气压，使做功冲程中柴油燃烧的更充分，燃气压强更大，同时也减少了废气中的有害物质，达到提高柴油发动机效率和减少废气污染的目的。这种柴油发动机有6个气缸，气缸直径为ll0mm，活塞行程为135mm，当转速为2300r／min时，发动机功率为220kW，最低油耗可达240g／(kW·h)，柴油的热值为4.3×10⁷J／kg。请回答下列问题：

    1．该柴油发动机的效率最高可达多少?

    2．在做功冲程中气缸内的平均压强是多少?

    3．如果将我国这种机型的汽车柴油发动机都安装“增压器”后，能使它们的平均效率由原来约31％提高到近35％，安装前按每年消耗3亿吨柴油估算，这项技术每年能为我国节约多少吨柴油?

    4．如果目前我国柴油的平均价格为3750元／吨，根据上面的估算结果，计算使用“增压”技术后仅节约柴油一项可使我国每年节约多少资金。由此你有哪些认识?