Question

（10分）某研究性學(xué)習(xí)小組，為了探索航天器球形返回艙穿過大氣層時(shí)所受空氣阻力（風(fēng)力）的影響因素，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究。圖12為測(cè)定風(fēng)力的實(shí)驗(yàn)裝置圖，其中CD是一段水平放置的長為L的光滑均勻電阻絲，電阻絲電阻較大；一質(zhì)量和電阻都不計(jì)的細(xì)長細(xì)長裸金屬絲一端固定于O點(diǎn)，另一端懸掛球P，無風(fēng)時(shí)細(xì)金屬絲豎直，恰與電阻絲在C點(diǎn)接觸，OC＝H；有風(fēng)時(shí)金屬絲將偏離豎直方向，與電阻絲相交于某一點(diǎn)（如圖13中虛線所示）.細(xì)金屬絲與電阻絲始終保持良好的導(dǎo)電接觸。

(1)已知電源的電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻不計(jì)，理想電壓表兩接線柱分別與O點(diǎn)和C點(diǎn)相連，球P的質(zhì)量為m，重力加速度為g，由此可以推得風(fēng)力大小F與電壓表示數(shù)的關(guān)系式為F=______________________。

(2)研究小組的同學(xué)猜想：風(fēng)力大小F可能與風(fēng)速大小v和球半徑r這兩個(gè)因素有關(guān)，于是他們進(jìn)行了如下的實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)一：使用同一球，改變風(fēng)速，記錄了在不同風(fēng)速下電壓表的示數(shù)。

表一  球半徑r＝0.50cm

風(fēng)速(m/s)	10	15	20	30
電壓表示數(shù)（V）	2.40	3.60	4.81	7.19

由表一數(shù)據(jù)可知：在球半徑一定的情況下，風(fēng)力大小與風(fēng)速的關(guān)系是_______________________。

實(shí)驗(yàn)二：保持風(fēng)速一定，換用同種材料、不同半徑的實(shí)心球，記錄了在球半徑不同情況下電壓表的示數(shù)。

表二  風(fēng)速v＝10 m/s

球半徑(cm)	0.25	0.50	0.75	1.00
電壓表示數(shù)（V）	9.60	2.40	1.07	0.60

由表二數(shù)據(jù)可知：在風(fēng)速一定的情況下，風(fēng)力大小與球半徑的關(guān)系是_______________________。（球體積公式）

(3)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知風(fēng)力的大小F與風(fēng)速大小v、球半徑r的關(guān)系式為_________________________。

Answer 1

(1)                      

（2）

在風(fēng)速一定的情況下，風(fēng)力大小與球半徑的關(guān)系是:F與r成正比。

（3）F=kvr，式中k為常數(shù)。

解析:

(1)以小球?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)小球進(jìn)行受力分析，設(shè)小球受到風(fēng)力為F是細(xì)金屬絲與豎直方向的夾角為，由平衡條件可知其風(fēng)力    

 F＝mgtan                 ①

設(shè)細(xì)金屬絲與電阻絲相交點(diǎn)與C點(diǎn)之間的長度H tan, 電阻為,由串聯(lián)電路的分壓規(guī)律可知電壓表示數(shù)     

            ②

①②兩式聯(lián)立解得                                   ③  （4分）

（2）由表一中的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出,在球半徑一定的情況下,風(fēng)力大小與風(fēng)速成正比,即F與v成正比。

由表二中的測(cè)量數(shù)據(jù)可知：在風(fēng)速一定的情況下，球半徑增大到原來的二倍，電壓表示數(shù)減小為原來的1/4。

由③式和球體積公式、密度公式可得

綜合考慮可得在風(fēng)速一定的情況下，風(fēng)力大小與球半徑的關(guān)系是:F與r成正比。（4分）

（3）根據(jù)上述兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，風(fēng)力大小與風(fēng)速成正比，與球半徑成正比，風(fēng)力的大小F與風(fēng)速大小v、球半徑r的關(guān)系式可以寫為F=kvr，式中k為常數(shù)。  （2分）