Question

【題目】小明同學設計了如圖甲所示的風級測量儀。已知電源電壓 U=6V 且保持不變，R1 為保護電阻，弧狀均勻電阻絲長為 9cm，其總電阻 R2=9Ω，塑料小球用金屬絲懸掛于 O 點，O 點接入電路，金屬絲與弧狀電阻絲接觸良好。無風時，金屬絲剛好豎直接觸電阻絲的最右端，金屬絲電阻和質量不計，該風級測量儀顯示器是由電壓表改裝的，電壓表的量程為 0~3V，所能顯示的最大風級為 6 級，此時金屬絲剛好接觸電阻絲的最左端 A 點，電壓表指針也剛好在最大刻度處，風級與金屬絲在 R2 上滑動的距離 x（從右端算起）之間的關系如圖乙所示。

（1）無風時金屬絲豎直下垂，此時塑料小球受重力和______力，這兩個力是一對___（選填“相互作用力”或“平衡力”）。

（2）求電阻 R1 的阻值___。

（3）當電壓表的示數是 2V 時，對應的風級為多少級____？

（4）有同學建議小明將電壓表換成電流表串聯在電路中，用電流表的示數來反應風級的大小，你認為此方法是否可行，請說明原因_____。

Answer 1

【答案】金屬絲的拉力平衡力9Ω4 級不可行，因為無論風級是否變大，電路中的電流不變

【解析】

（1）金屬絲豎直下垂時小球處于靜止狀態，受力平衡，即受到的重力和金屬絲的拉力是一對平衡力；
（2）因電壓表在電路中相當于斷路，則由電路圖可知，R1與R2的最大阻值串聯，電壓表測金屬絲在R2上的滑動距離x部分兩端的電壓；
由題意可知，當金屬絲剛好接觸于電阻絲的最左端時，R2=9Ω，U2=3V，
因為串聯電路中各處的電流相等，所以根據歐姆定律可得，電路中的電流：

因為串聯電路中總電壓等于各分電壓之和，所以R1兩端的電壓：
，
則R1的電阻：
。
（3）風力變化時，電路中的電阻不變，電流不變，當電壓表的示數為2V時，與電壓表并聯部分的電阻：

因為弧狀均勻電阻絲長為9cm，其總電阻為9Ω，所以金屬絲在R2上的滑動距離：

由乙圖可知，此時對應的風力是4級；
（4）由圖知，因為無論風力大小，電路中的總電阻不變，電源電壓又一定，根據歐姆定律知，電路中的電流不會發生改變，因此不能用電流表的示數來反映風級的大小。