Question

我校物理課外興趣小組同學為發展可再生綠色能源．小明等幾位同學對風力的研究產生了濃厚的興趣，共同設計了“風力測試儀”，其原理如圖所示，已知電源電壓12V恒定，OB長為10cm，AB長為20cm、阻值為60Ω的均勻電阻絲．OP為質量、電阻均不計的金屬細桿，下端連接一個重為4N的圓球P．金屬細桿OP始終與電阻絲AB接觸良好且無摩擦．閉合開關S，無風時，OP下垂并與電阻絲的B端接觸，此時電流表的示數為0.15A；有風時，圓球P受風力作用，使金屬細桿OP繞懸掛點O偏轉．，請你解答下列問題：
（1）定值電阻R₀為多少Ω？
（2）若金屬細桿OP繞懸掛點O偏轉到距離電阻絲的B端16cm處，此時電路消耗的總功率是多少？
（3）當金屬細桿OP滑到A點時圓球P受的風力是多大？

Answer 1

即：（1）無風時，定值電阻R0與電阻絲的最大阻值串聯，
由歐姆定律可得，電路中的總電阻：
R_總===80Ω，
∵串聯電路中的總電阻等于各分電阻之和，
∴定值電阻的阻值：
R₀=R_總-R_AB=80Ω-60Ω=20Ω；
（2）∵電阻絲均勻，
∴金屬細桿OP繞懸掛點O偏轉到距離電阻絲的B端16cm處，接入電路中的電阻：
R′=×60Ω=12Ω，
此時電路消耗的總功率：
P===4.5W；
（3）球P所受風力F_風的力臂，如下圖所示：

∵△ABO∽△PEO；
∴=
∴===，
∵金屬細桿OP平衡，以O為支點；
則根據杠桿平衡條件可得：
F_風=G=G=×4N=8N．
答：（1）定值電阻R₀為20Ω；
（2）若金屬細桿OP繞懸掛點O偏轉到距離電阻絲的B端16cm處，此時電路消耗的總功率是4.2W；
（3）當金屬細桿OP滑到A點時圓球P受的風力是8N．
分析：（1）無風時，定值電阻R0與電阻絲的最大阻值串聯，根據歐姆定律求出電路中的總電阻，再根據電阻的串聯求出定值電阻R₀的阻值；
（2）根據題意求出金屬細桿OP繞懸掛點O偏轉到距離電阻絲的B端16cm處的電阻，利用電阻的串聯和P=此時電路消耗的總功率；
（3）先根據題意求出金屬細桿OP繞懸掛點O偏轉到距離電阻絲的A端4cm處接入電路的電阻，再根據電阻的串聯和歐姆定律求出電路中的電流，即為電流表的示數；
點評：本題是一道綜合性題目，考查了歐姆定律、電功率的計算公式以及杠桿原理，分析兩種狀態（OP豎直下垂、偏轉到距離電阻絲的A端4cm處）利用歐姆定律是關鍵；難點是利用相似三角形得出它們的力臂的比值．