Question

如图所示为某同学设计的“风力测试仪”的原理图，电路的保护电阻R为10Ω，AB为长20cm、阻值为50Ω的均匀电阻丝，OP为质量、电阻均不计的金属细杆，下端连接一个重为2N的球P，闭合开关S，无风时，OP下垂并与电阻丝B端接触，此时电流表的示数为0.1A；有风时，球P受风力的作用，使金属细杆OP绕悬挂点O偏转．已知悬挂点O与电阻丝B端的距离为10cm．金属细杆OP始终与电阻丝AB接触良好且无摩擦，电源电压恒定．求：
（1）电源电压；
（2）若金属细杆OP绕悬挂点O偏转到距离电阻丝的A端4cm处，此时电流表的示数是多少安；
（3）在风力作用下，当金属细杆OP在图示位置静止时，作出球P所受风力F_风的力臂，并求出F_风的大小．

Answer 1

【答案】分析：（1）无风时，R与R_AB串联，电流表测电路中的电流，根据电阻的串联和欧姆定律求出电源的电压；
（2）先根据题意求出金属细杆OP绕悬挂点O偏转到距离电阻丝的A端4cm处接入电路的电阻，再根据电阻的串联和欧姆定律求出电路中的电流，即为电流表的示数；
解答：解：（1）无风时，R与R_AB串联，电流表测电路中的电流，
电源的电压：
U=I（R+R_AB）=0.1A×（10Ω+50Ω）=6V；
（2）∵AB为长20cm、阻值为50Ω的均匀电阻丝
∴金属细杆OP绕悬挂点O偏转到距离电阻丝的A端4cm处，
接入电路的电阻R=×4cm=10Ω，
电流表的示数I===0.3A；
（3）球P所受风力F_风的力臂，如下图所示：

∵△ABO∽△PEO；
∴=
∴===
∵金属细杆OP平衡，以O为支点；
则根据杠杆平衡条件可得：
F_风=G=G=×2N=4N．
答：（1）电源电压为6V；
（2）金属细杆OP绕悬挂点O偏转到距离电阻丝的A端4cm处，此时电流表的示数是0.3安；
（3）球P所受风力F_风的力臂如上图所示，F_风的大小为4N．
点评：本题是一道综合性题目，考查了欧姆定律、电功率的计算公式以及杠杆原理，分析两种状态（OP竖直下垂、偏转到距离电阻丝的A端4cm处）利用欧姆定律是关键；难点是利用相似三角形得出它们的力臂的比值．