Question

在學校舉行的物理創新大賽上，小明和小紅所在的科技小組分別設計了一種測量托盤所受壓力的壓力測量儀，如圖甲、乙所示．兩裝置中所用的器材與規格完全相同，壓力表是由電壓表改裝而成，R₁為定值電阻，阻值為10Ω，R₂為滑動變阻器，規格為“10Ω  1A“．金屬指針OP可在金屬桿AB上滑動，且與它接觸良好，金屬指針和金屬桿電阻忽略不計．M為彈簧，在彈性限度內它縮短的長度與其所受的壓力大小成正比．當托盤所受壓力為零時，P恰好位于R₂的最上端；當托盤所受壓力為50N時，P恰好位于R₂的最下端，此時彈簧的形變仍在彈性限度內．
（1）甲裝置中，當P位于R₂的最下端時，電壓表的示數為3V，則電源電壓是多少？
（2）甲裝置中，壓力25N的刻度位置標在電壓表表盤多少伏的刻度線上？
（3）在甲、乙兩種裝置中，兩壓力表的刻度特點有何不同？試說明理由．

Answer 1

（1）甲裝置中，如圖，當P位于R₂的最下端時，R₂全連入，
∵R₁和R₂串聯，
∴U₁：U₂=R₁：R₂=10Ω：10Ω=1：1
∴U₁=U₂=3V，
U=U₁+U₂=3V+3V=6V；
（2）甲裝置中，當壓力25N，P位于R₂的中點上，R₂連入的電阻：
R₂′=

1

2

×10Ω=5Ω，
此時電路中的電流：
I′=

U

R1+R′2

=

6V

10Ω+5Ω

=0.4A，
U₂′=I′R₂′=0.4A×5Ω=2V；
（3）甲裝置中壓力表的刻度是不均勻的，乙裝置中壓力表的刻度是均勻的．
甲裝置中，當改變托盤所受的壓力時，R₂接入電路中的電阻發生變化，電路中的電流I_甲發生變化，
∵U₂=I_甲R₂，
∴U₂與R₂不成正比，
∴甲壓力表的刻度不均勻；
乙裝置中，當改變托盤所受的壓力時，R₂接入電路中的電阻不發生變化，電路中的電流I_乙不變，
∵U₂=I_乙R₂，
∴U₂與R₂成正比，
∴乙壓力表的刻度是均勻的．
答：（1）電源電壓是6V；
（2）標在電壓表表盤2V的刻度線上；
（3）甲裝置中壓力表的刻度是不均勻的，乙裝置中壓力表的刻度是均勻的．