Question

7．某物理課外實踐活動小組設計了如圖所示的風力測量儀電路，其電源電壓U=10V，電路保護電阻R₀=20Ω均勻的弧形電阻絲ab總阻值R=5Ω．把一根金屬絲（電阻忽略不計）的上端固定在O點，下端系一個塑料小球，當風從右向左吹動小球時，金屬絲向左擺動并始終與電阻絲保持良好接觸，風力表由電壓表改裝而成，現閉合開關S．
（1）無風時，金屬絲豎直下垂，剛好與a端接觸．此時塑料小球受重力和繩子的拉力，這兩個力是一對平衡力（選填“相互作用力”或“平衡力”）；
（2）無風時，電壓表示數是多少？電路中電流是多少？
（3）當風力達到該測量儀能夠測量的最強風力時，金屬絲滑至電阻絲的b端，此時電壓表示數是多少？
（4）如果將圖中的電壓表改換為電流表，則最強風力時電流表示數為多少？電路消耗的總電功率為多少？

Answer 1

分析 （1）金屬絲豎直下垂時小球處于平衡狀態，受到的力為平衡力；
（2）無風時，電壓表被短路，電路為R與R₀串聯，根據電阻的串聯和歐姆定律求出電路中的電流；
（3）風力最強時，金屬絲滑至電阻絲的b端，此時電路中的總電阻不變，電路中的電流不變，電壓表測R兩端的電壓，根據歐姆定律求出電壓表的示數；
（4）如果將圖中的電壓表改換為電流表，最強風力時電路為R₀的簡單電路，電流表測電路中的電流，根據歐姆定律求出電流表示數，根據P=UI求出電路消耗的總電功率．

解答 解：（1）金屬絲豎直下垂時小球處于平衡狀態，受到的重力和繩子的拉力是一對平衡力；
（2）無風時，塑料片豎直下垂，電壓表被短路，示數為0V；
此時，R與R₀串聯，
因串聯電路中總電阻等于各分電阻之和，
所以，電路中的電流：
I=$\frac{U}{{R}_{0}+R}$=$\frac{10V}{20Ω+5Ω}$=0.4A；
（3）風力最強時，金屬絲滑至電阻絲的b端，
此時電路中的總電阻不變，電路中的電流不變，電壓表測R兩端的電壓，
則電壓表的示數：
U_R=IR=0.4A×5Ω=2V；
（4）如果將圖中的電壓表改換為電流表，最強風力時電路為R₀的簡單電路，電流表測電路中的電流，
則電流表示數：
I′=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{10V}{20Ω}$=0.5A，
電路消耗的總電功率：
P=UI′=10V×0.5A=5W．
答：（1）繩子的拉力；平衡力；
（2）無風時，電壓表示數是0V，電路中電流是0.4A；
（3）當風力達到該測量儀能夠測量的最強風力時，電壓表示數是2V；
（4）如果將圖中的電壓表改換為電流表，則最強風力時電流表示數為0.5A，電路消耗的總電功率為5W．

點評 本題考查了平衡力的辨別和歐姆定律、電功率公式的應用，利用電壓表的特點判斷出原電路中的總電阻和電流不變是關鍵．