Question

（2013?寶應(yīng)縣一模）我校物理課外興趣小組同學(xué)為發(fā)展可再生綠色能源．小明等幾位同學(xué)對風(fēng)力的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，共同設(shè)計(jì)了“風(fēng)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(zhì)量、電阻均不計(jì)的金屬細(xì)桿，下端連接一個(gè)重為4N的圓球P．金屬細(xì)桿OP始終與電阻絲AB接觸良好且無摩擦．閉合開關(guān)S，無風(fēng)時(shí)，OP下垂并與電阻絲的B端接觸，此時(shí)電流表的示數(shù)為0.15A；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)．，請你解答下列問題：
（1）定值電阻R₀為多少Ω？
（2）若金屬細(xì)桿OP繞懸掛點(diǎn)O偏轉(zhuǎn)到距離電阻絲的B端16cm處，此時(shí)電路消耗的總功率是多少？
（3）當(dāng)金屬細(xì)桿OP滑到A點(diǎn)時(shí)圓球P受的風(fēng)力是多大？

Answer 1

分析：（1）無風(fēng)時(shí)，定值電阻R0與電阻絲的最大阻值串聯(lián)，根據(jù)歐姆定律求出電路中的總電阻，再根據(jù)電阻的串聯(lián)求出定值電阻R₀的阻值；
（2）根據(jù)題意求出金屬細(xì)桿OP繞懸掛點(diǎn)O偏轉(zhuǎn)到距離電阻絲的B端16cm處的電阻，利用電阻的串聯(lián)和P=

U2

R

此時(shí)電路消耗的總功率；
（3）先根據(jù)題意求出金屬細(xì)桿OP繞懸掛點(diǎn)O偏轉(zhuǎn)到距離電阻絲的A端4cm處接入電路的電阻，再根據(jù)電阻的串聯(lián)和歐姆定律求出電路中的電流，即為電流表的示數(shù)；

解答：即：（1）無風(fēng)時(shí)，定值電阻R0與電阻絲的最大阻值串聯(lián)，
由歐姆定律可得，電路中的總電阻：
R_總=

U

I

=

12V

0.15A

=80Ω，
∵串聯(lián)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(xì)桿OP繞懸掛點(diǎn)O偏轉(zhuǎn)到距離電阻絲的B端16cm處，接入電路中的電阻：
R′=

20cm-16cm

20cm

×60Ω=12Ω，
此時(shí)電路消耗的總功率：
P=

U2

R0+R′

=

(12V)2

20Ω+12Ω

=4.5W；
（3）球P所受風(fēng)力F_風(fēng)的力臂，如下圖所示：

∵△ABO∽△PEO；
∴

PE

AB

=

EO

BO

∴

PE

EO

=

AB

BO

=

20cm

10cm

=

2

1

，
∵金屬細(xì)桿OP平衡，以O(shè)為支點(diǎn)；
則根據(jù)杠桿平衡條件可得：
F_風(fēng)=

LG

L風(fēng)

G=

PE

EO

G=

2

1

×4N=8N．
答：（1）定值電阻R₀為20Ω；
（2）若金屬細(xì)桿OP繞懸掛點(diǎn)O偏轉(zhuǎn)到距離電阻絲的B端16cm處，此時(shí)電路消耗的總功率是4.2W；
（3）當(dāng)金屬細(xì)桿OP滑到A點(diǎn)時(shí)圓球P受的風(fēng)力是8N．

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，分析兩種狀態(tài)（OP豎直下垂、偏轉(zhuǎn)到距離電阻絲的A端4cm處）利用歐姆定律是關(guān)鍵；難點(diǎn)是利用相似三角形得出它們的力臂的比值．