Question

【題目】在物理課外實驗探究活動中，某小組設計了一個能反映水平風力大小的裝置，如圖甲所示，電源電壓恒為16V，R0為定值電阻，L為額定電壓是2.5V的小燈泡，其I﹣U關系的部分數據如圖乙所示，AB為長14cm、阻值60Ω粗細均勻的電阻絲（電阻絲的阻值與長度成正比），OP為質量、電阻均不計的金屬細桿，下端連接一個重2N的圓球P．閉合開關S，無風時，OP下垂并與A端接觸，此時電流表示數為0.2A；有風時，OP繞懸掛點O轉動，風對球的作用力F方向始終水平向右，已知OA為10cm，OP始終與AB接觸良好且無摩擦；求：

（1）電流表示數為0.2A時，燈泡的電阻為多少？

（2）無風時R0消耗的電功率？

（3）有風時，為防止燈泡燒壞，求電阻絲AB接入電路中的最小阻值？

（4）此時允許風對球施加的最大作用力為多少？（OP可看做以O為支點的杠桿）

Answer 1

【答案】（1）5Ω；（2）0.6W；（3）30Ω；（4）1.4N。

【解析】

（1）由電路圖可知，燈泡L、定值電阻R0和電阻絲串聯，電流表測電路中的電流，當電流表示數為0.2A時，由圖乙可知此時燈泡兩端的電壓為1V，由I＝可得，燈泡的電阻：RL＝=＝5Ω；

（2）無風時，OP下垂并與A端接觸，電阻絲接入阻值最大為60Ω，電阻絲兩端的電壓：UAB＝IRAB＝0.2A×60Ω＝12V，因串聯電路中總電壓等于各分電壓之和，所以，R0兩端的電壓：U0＝U﹣UL﹣UAB＝16V﹣1V﹣12V＝3V，則此時R0消耗的電功率：P0＝U0I＝3V×0.2A＝0.6W；

（3）R0的阻值：R0＝=＝15Ω，為防止燈泡燒壞，燈泡兩端的電壓UL額＝2.5V，由圖乙可知，電路的最大電流I′＝0.3A，此時風對球的壓力最大，OP繞O轉動的角度最大，設此時OP與AB的接觸點為C，

R0兩端的電壓：U0′＝I′R0＝0.3A×15Ω＝4.5V，RBC兩端的電壓：UBC＝U﹣UL額﹣U0′＝16V﹣2.5V﹣4.5V＝9V，此時電阻絲連入電路的電阻：RBC＝＝30Ω，即電阻絲AB接入電路中的最小阻值為30Ω；

（4）因電阻絲的電阻與電阻絲的長度成正比，所以，BC＝×AB＝×14cm＝7cm，則AC＝AB﹣BC＝14cm﹣7cm＝7cm，如圖，把OP視為杠桿，F的力臂為OD，G的力臂等于PD，根據杠桿平衡條件可得：F×OD＝G×PD，則：=，根據相似三角形的知識可得：=，所以，=，則：F＝×G＝×2N＝1.4N。