Question

小明、小亮和小敏共同設計了一種測定水平方向風力的裝置．其原理如圖（甲）所圖示：絕緣輕彈簧的左端固定在O點，右端與中心有孔、表面豎直的金屬迎風板相連，一起套在左端也固定在O點的粗細均勻、電阻隨長度均勻變化，且水平放置的金屬桿上，迎風板與金屬桿接觸良好；電路中左端導線與金屬桿的左端相連，右端導線連接在迎風板上并可隨迎風板移動，R是定值電阻，a、b、c、d為四個接線柱．
（1）在他們的設計中，若要求在風力增大時，接入電路的電表的示數也隨之而增大，則應該______
A．在a、b之間接電流表，在c、d之間連接導線
B．只在a、b之間接電流表
C．在c、d之間接電壓表，在a、b之間連接導線
D．只在c、d之間接電壓表
（2）為了較準確的測出水平方向風力的大小，三位同學先對選定的輕彈簧和金屬桿進行了兩項測量．
①小明利用測量的數據做出了原長為40cm的輕彈簧的長度l與所受壓力F的關系圖象[見圖乙]．由圖可知：該彈簧每縮短10cm，彈簧受到的壓力將增加______N．
②小亮和小敏設計了圖（丙）所示的電路，用來測量長度為50cm的金屬桿的電阻．他們備選的部分器材有：
A．電源（能夠提供3V的穩定電壓）
B．電流表A（量程0～0.6A）
C．電壓表V（量程0～3V）
D．滑動變阻器R₁，（阻值變化范圍為0～5Ω）
E．滑動變阻器R₂（阻值變化范圍為0～10Ω）
選好器材后，小亮和小敏在實驗中正確操作，他們記錄的測量數據如下表．

實驗次數	1	2	3	4	5
A表示數（A）	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6
V表示數（V）	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0

根據他們的測量數據可以知道：他們實驗中選用的滑動變阻器是______（填器材的序號字母）；他們測出的金屬桿的電阻是______Ω．
（3）三位同學最后根據（1）的要求，按圖（甲）進行組裝時，除用到上述選定的輕彈簧、金屬桿和（2）中備選的電源、電表外，還選了阻值R=3Ω的定值電阻．
如果無風時，O點到迎風板的距離以及輕彈簧的長度均等于彈簧的原長，則該裝置能夠測量的最大水平風力是______N．
（4）對小明、小亮和小敏設計的測定水平方向風力的裝置，從力的角度，請你指出可能對測量準確度產生影響的因素之一：______．

Answer 1

【答案】分析：（1）先根據選項判斷電路的連接方式，再根據風力增大判斷電路電阻的變化，利用歐姆定律和串聯電路的特點判斷電表示數的變化；
（2）①分析輕彈簧的長度l與所受壓力F的關系圖象可知，當風力增大時，彈簧的長度變短；
②由電路圖可知，金屬桿和滑動變阻器串聯，電壓表測金屬桿兩端的電壓；由表格中數據可知，當電壓表的示數為1V時，電路中的電流為0.2A，根據串聯電路的電壓特點求出滑動變阻器兩端的電壓，根據歐姆定律求出滑動變阻器接入電路中的電阻和金屬桿的電阻，進一步確定滑動變阻器的規格；
（3）當電流表的示數最大為0.6A時，風力最大，根據歐姆定律求出定值電阻兩端的電壓，根據串聯電路的電壓特點求出金屬桿兩端的電壓，再根據歐姆定律求出金屬桿接入電路的電阻，利用金屬桿為50cm時阻值為5Ω求出此時彈簧的長度，最后由圖乙該裝置能夠測量的最大水平風力；
（4）根據實驗裝置，從力的角度如摩擦力、空氣阻力、風向等提出可能對測量準確度產生影響的因素．
解答：解：
（1）A、在a、b之間接電流表，在c、d之間連接導線時，會造成電源短路，故A不正確；
B、只在a、b之間接電流表時，電路為串聯電路，電流表測電路中的電流，當風力增大時接入電路的電阻變小，根據歐姆定律可知電路中的電流變大，故B正確；
C、在c、d之間接電壓表，在a、b之間連接導線，電壓表測O和迎風板之間電阻兩端的電壓，當風力增大時接入電路的電阻變小，根據歐姆定律可知電路中的電流變大，電阻R兩端的電壓變大，根據串聯電路的總電壓等于分電阻的電壓之和可知，電壓表的示數變小，故C不正確；
D、只在c、d之間接電壓表時，電壓表斷路，故D不正確；
（2）①分析輕彈簧的長度l與所受壓力F的關系圖象（如圖乙所示）可知：該彈簧每縮短10cm，彈簧受到的壓力將增加2N；
②由他們記錄的測量數據可知，當電流為0.2A時，此時電壓表的示數為1V，
∵金屬桿和滑動變阻器串聯，電壓表測金屬桿兩端的電壓，
∴滑動變阻器兩端的電壓值U_滑=3V-1V=2V，
根據歐姆定律可得R_滑===10Ω，
故他們選擇的是滑動變阻器R₂（阻值變化范圍為0～10Ω）；
金屬桿的電阻R_金===5Ω；
（3）因電源能夠提供3V的穩定電壓，定值電阻的阻值R=3Ω，電流表A的量程是0～0.6A，所以當電流最大時，此時風力最大，
定值電阻兩端的電壓U_R=I′R=0.6A×3Ω=1.8V，
金屬桿兩端的電壓U_金′=U-U_R=3V-1.8V=1.2V，
所以金屬桿的電阻R_金′===2Ω，
由題意可知，當金屬桿為50cm時，阻值為5Ω，所以當阻值為2Ω時，此時彈簧的長度為20cm，
由乙圖可知，此時風力為4N；
（4）設計中沒有考慮迎風板與金屬桿的摩擦力；沒考慮迎風板左側受到的空氣的阻力；試驗中難以保證風力大小恒定、方向水平等．
故答案為：
（1）B；
（2）①2；②E；5；
（3）4；
（4）設計中沒有考慮迎風板與金屬桿的摩擦力（合理即可）．
點評：本題考查電流、電壓、電阻、長度等的計算，關鍵是公式及其變形的靈活運用，難點是分析電路的組成和根據所給信息總結規律，要記住串聯電路的規律．