Question

【题目】小明同学设计了如图甲所示的风级测量仪。已知电源电压 U=6V 且保持不变，R1 为保护电阻，弧状均匀电阻丝长为 9cm，其总电阻 R2=9Ω，塑料小球用金属丝悬挂于 O 点，O 点接入电路，金属丝与弧状电阻丝接触良好。无风时，金属丝刚好竖直接触电阻丝的最右端，金属丝电阻和质量不计，该风级测量仪显示器是由电压表改装的，电压表的量程为 0~3V，所能显示的最大风级为 6 级，此时金属丝刚好接触电阻丝的最左端 A 点，电压表指针也刚好在最大刻度处，风级与金属丝在 R2 上滑动的距离 x（从右端算起）之间的关系如图乙所示。

（1）无风时金属丝竖直下垂，此时塑料小球受重力和______力，这两个力是一对___（选填“相互作用力”或“平衡力”）。

（2）求电阻 R1 的阻值___。

（3）当电压表的示数是 2V 时，对应的风级为多少级____？

（4）有同学建议小明将电压表换成电流表串联在电路中，用电流表的示数来反应风级的大小，你认为此方法是否可行，请说明原因_____。

Answer 1

【答案】金属丝的拉力平衡力9Ω4 级不可行，因为无论风级是否变大，电路中的电流不变

【解析】

（1）金属丝竖直下垂时小球处于静止状态，受力平衡，即受到的重力和金属丝的拉力是一对平衡力；
（2）因电压表在电路中相当于断路，则由电路图可知，R1与R2的最大阻值串联，电压表测金属丝在R2上的滑动距离x部分两端的电压；
由题意可知，当金属丝刚好接触于电阻丝的最左端时，R2=9Ω，U2=3V，
因为串联电路中各处的电流相等，所以根据欧姆定律可得，电路中的电流：

因为串联电路中总电压等于各分电压之和，所以R1两端的电压：
，
则R1的电阻：
。
（3）风力变化时，电路中的电阻不变，电流不变，当电压表的示数为2V时，与电压表并联部分的电阻：

因为弧状均匀电阻丝长为9cm，其总电阻为9Ω，所以金属丝在R2上的滑动距离：

由乙图可知，此时对应的风力是4级；
（4）由图知，因为无论风力大小，电路中的总电阻不变，电源电压又一定，根据欧姆定律知，电路中的电流不会发生改变，因此不能用电流表的示数来反映风级的大小。