Question

如圖甲所示為一種測定風力的裝置．迎風板與一輕質彈簧一端連接，穿在光滑的金屬桿上，彈簧由絕緣材料制成，均勻金屬桿的阻值隨長度均勻變化，工作時迎風板總是正對風吹來的方向，電路中左端導線與金屬桿M端相連，右端導線接在迎風板上N點并可隨迎風板在金屬桿上滑動，兩端導線與金屬桿均接觸良好．已知電源電壓恒為4.5V，定值電阻R=1.0Ω，金屬桿接入電路中的電阻R_x與迎風板所承受風力F的關系如圖乙所示．
（1）無風時，求電壓表的示數和定值電阻R消耗的電功率；
（2）如果電壓表的量程為0～3V，求該裝置所能測量的最大風力．

Answer 1

解：（1）無風時，定值電阻R與金屬桿串聯，此時金屬桿接入電路中的電阻R_x為3.5Ω
∵串聯電路的總電阻等于各分電阻之和，
∴根據歐姆定律可得，電路的電流I===1A，
R兩端電壓U_R=IR=1A×1Ω=1V，即電壓表的示數為1V；
定值電阻R消耗的電功率P=U_RI=1V×1A=1W；
（2）當電壓表示數為3V時，R兩端電壓U_R′=3V
∵串聯電路的總電壓等于各分電阻兩端的電壓之和，
∴金屬桿兩端電壓U_x=U-U_R′=4.5V-3V=1.5V，
電路中的電流I′===3A，
金屬桿電阻R₁===0.5Ω，
分析圖象可知最大風力為720N．
答：（1）當無風時，電壓表的示數是1V，R所消耗的功率是1W；
（2）如果電壓表的量程為0～3V，則該裝置所受的最大風力是720N．
分析：（1）從關系圖中可以看出，當無風時，金屬桿接入電路中的電阻R_X為3.5Ω，根據電阻的串聯和歐姆定律求出電路中的電流，再根據歐姆定律求出定值電阻兩端的電壓即為電壓表的示數，利用P=UI求出定值電阻R消耗的電功率．
（2）電壓表示數最大為3V，根據歐姆定律求出此時電路中的電流，根據串聯電路的電壓特點求出金屬桿兩端的電壓，利用歐姆定律求出金屬桿的電阻，對照圖象可知風力的大小．
點評：本題考查電壓、電流、電阻的計算，關鍵是歐姆定律的公式及其變形的應用以及串聯電路電壓的規律，還要學會從所給信息中找到有用的數據，會看數據圖象．