Question

如圖是某同學(xué)設(shè)計(jì)的“風(fēng)力測(cè)試儀”的原理圖．電源電壓6V，R₀為定值保護(hù)電阻，AB為長(zhǎng)20cm、阻值為50Ω的均勻電阻絲．OP為質(zhì)量、電阻均不計(jì)的金屬細(xì)桿，下端連接一個(gè)重為2N的圓球P．閉合開(kāi)關(guān)S，無(wú)風(fēng)時(shí)，OP下垂并與電阻絲的B端接觸；有風(fēng)時(shí)，圓球 P受風(fēng)力作用，使金屬細(xì)桿OP繞懸掛點(diǎn)O偏轉(zhuǎn)，當(dāng)偏轉(zhuǎn)到電阻絲的A端時(shí)，電流表示數(shù)為0.6A．已知懸掛點(diǎn)O與電阻絲B端為10cm，金屬細(xì)桿OP始終與電阻絲AB接觸良好且無(wú)摩擦，求：
（1）無(wú)風(fēng)時(shí)電流表示數(shù)；
（2） 在風(fēng)力作用下，當(dāng)金屬細(xì)桿OP在圖示位置靜止時(shí)，作出F_風(fēng)的力臂；
（3） 求當(dāng)金屬細(xì)桿OP滑在AB中點(diǎn)時(shí)圓球P受風(fēng)力大小為多少牛？此時(shí)電路消耗的總功率為多少？
（4）若將電流表的刻度該改為風(fēng)力刻度值，請(qǐng)問(wèn)表盤刻度均勻嗎？簡(jiǎn)要說(shuō)明道理；
（5）請(qǐng)你為該設(shè)計(jì)提出恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)或兩點(diǎn)合理化建議．
（本題解答要求：要寫出依據(jù)的主要公式或變形公式，要有數(shù)據(jù)代入和運(yùn)算結(jié)果）

Answer 1

解：（1）當(dāng)OP偏轉(zhuǎn)到電阻絲的A端時(shí)
當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)R₀與R_AB串聯(lián)，則電流表的示數(shù)為；
答：無(wú)風(fēng)時(shí)電流表示數(shù)為0.1A．
（2）力臂l_風(fēng)如圖甲

（3）如圖乙，
由于OB=CB=10cm，又由三角形相似，則得L_風(fēng)=L_G
由杠桿平衡條件得F_風(fēng)L_風(fēng)=GL_G
故有F_風(fēng)=G=2N
此時(shí)電流表示
電路消耗的總功率
答：當(dāng)金屬細(xì)桿OP滑在AB中點(diǎn)時(shí)圓球P受風(fēng)力大小為2牛，此時(shí)電路消耗的總功率為1.03W．
（4）表盤刻度不均勻．理由：由杠桿平衡條件可知，電阻絲接入電路的阻值不與風(fēng)力成正比，再由R₀的存在，電路中的電流與電阻絲接入電路的阻值也不成反比，因此將電流表的刻度該改為風(fēng)力刻度值表盤刻度不均勻．
（5）評(píng)價(jià)：
優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而靈敏．缺點(diǎn)：由于電流的熱效應(yīng)可知，該電路在工作時(shí)電能主要轉(zhuǎn)化成內(nèi)能而損失，既不符合節(jié)能也不符合安全；由于電池電量的下降，表盤指示數(shù)值會(huì)不準(zhǔn)確，同時(shí)，電路設(shè)計(jì)中還缺乏調(diào)零裝置．
建議：（1）增加串聯(lián)滑動(dòng)變阻器，用作調(diào)零使用；
（2）將電池?fù)Q成穩(wěn)壓電源，增加穩(wěn)定性；
（3）用機(jī)械設(shè)計(jì)顯示或用電子電路顯示，提高節(jié)能效果．等等．
分析：（1）無(wú)風(fēng)時(shí)R₀與R_AB串聯(lián)，要想求得電流表的示數(shù)，需先求出R₀的阻值，可利用OP偏轉(zhuǎn)到電阻絲的A端時(shí)的情況求出R₀的阻值．
（2）風(fēng)的方向是水平方向，支點(diǎn)到力F_風(fēng)作用線的距離即為F_風(fēng)的力臂．
（3）當(dāng)金屬桿0P滑在AB中點(diǎn)時(shí)，金屬桿0P與AB的觸點(diǎn)C和點(diǎn)O、B，組成等腰直角三角形，做出此時(shí)作用在金屬桿OP上的力臂，得到一個(gè)與三角形COB相似的等腰直角三角形，再利用杠桿平衡原理解得F_風(fēng)．利用歐姆定律求出此時(shí)電路中的電流再電功率公式求得電路消耗的功率．
（4）由杠桿平衡條件及R₀的存在，電路中的電流與電阻絲接入電路的阻值也不成正比也不成反比，將電流表的刻度該改為風(fēng)力刻度值表盤刻度不均勻．
（5）該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而靈敏，但由于電流的熱效應(yīng)，電路在工作時(shí)有能量損失，也不安全；由于電池電量的下降，表盤指示數(shù)值會(huì)不準(zhǔn)確，電路設(shè)計(jì)中還缺乏調(diào)零裝置．
點(diǎn)評(píng)：本題是一道綜合性題目，考查了歐姆定律、電功率的計(jì)算公式以及杠桿原理，同時(shí)考查了數(shù)形結(jié)合的思想，這是一道相對(duì)新型的題目，在以后的做題過(guò)程中這樣的題目一定會(huì)越來(lái)越多，一定要讓學(xué)生審題和看圖，這是關(guān)鍵．