小明、小亮和小敏共同设计了一种测定水平方向风力的装置,其原理如图甲所示.绝缘轻弹簧的左端固定在O点,右端与中心有孔、表面竖直的金属迎风板相连,一起套在左端固定在O点的粗细均匀、电阻随长度均匀变化的水平金属杆上,迎风板与金属杆接触良好.电路中左端导线与金属杆的左端相连,右端导线连接在迎风板上并可随迎风板一起移动,R是定值电阻,a、b、c、d为四个接线柱.
(1)在他们的设计中,若要求在风力增大时,接入电路的电表的示数也随之而增大,则应该(______)
A.只在a、b之间接电流表
B.只在c、d之间接电压表
C.在a、b之间接电流表,在c、d之间连接导线
D.在c、d之间接电压表,在a、b之间连接导线
(2)为了较准确的测出水平方向风力的大小,三位同学先对选定的轻弹簧和金属杆进行了两项测量.
①小明利用测量的数据作出了原长为40cm的轻弹簧的长度l与所受压力F的关系图象(如图乙所示).由图可知:该弹簧每缩短10cm,弹簧受到的压力将增加______N.
②小亮和小敏设计了如图丙所示的电路,用来测量长度为50cm的金属杆的电阻.他们备选的部分器材有:
A.电源(能够提供3V的稳定电压)
B.电流表A(量程0~0.6A)
C.电压表V(量程0~3V)
D.滑动变阻器R
1(阻值变化范围为0~5Ω)
E.滑动变阻器R
2(阻值变化范围为0~10Ω)
选好器材后,小亮和小敏在实验中正确操作,他们记录的测量数据如下表:
根据他们的测量数据可以知道:他们实验中选用的滑动变阻器是______(填器材的序号字母),他们测出的金属杆的电阻为______Ω.
(3)三位同学最后根据(1)的要求,按图甲进行组装时,除用到上述选定的轻弹簧、金属杆和(2)中备选的电源、电表外,还选了阻值R=3Ω的定值电阻.如果无风时,迎风板离O点的距离以及轻弹簧的长度均等于弹簧的原长,则该装置能够测量的最大水平风力是______N.
答案:
分析:分析他们设计的电路可知,要在风力增大时,接入电路的电表的示数也随之而增大,则应该在a、b之间接电流表;
分析轻弹簧的长度l与所受压力F的关系图象可知,当风力增大时,弹簧的长度变短;
当电流最小时,连入电路中的滑动变阻器的阻值最大,根据欧姆定律R=可以求出滑动变阻器的阻值;
因所给电流表A的量程是0~0.6A,所以当电流最大时,风力最大,根据欧姆定律可以求解此时连入电路中的金属杆阻值,求出对应的长度,查表可知风力的大小.
解答:解:(1)当风力增大时,连入电路的阻值变小,所以电流会变大,因此需要在a、b之间接电流表;
(2)①分析轻弹簧的长度l与所受压力F的关系图象(如图乙所示),由图可知:该弹簧每缩短10cm,弹簧受到的压力将增加2N;
②由他们记录的测量数据可知,当电流为0.2A时,此时电压表的示数为1v,
所以滑动变阻器两端的电压值为3v-1v=2v,根据公式R==Ω=10Ω,所以他们选择的是滑动变阻器R2(阻值变化范围为0~10Ω);
金属杆的电阻R′==5Ω;
(3)因电源能够提供3V的稳定电压,定值电阻的阻值R=3Ω,电流表A的量程是0~0.6A,所以当电流最大时,此时风力最大,
金属杆两端的电压=3v-0.6A×3Ω=1.2v,
所以R=R==Ω=2Ω,
由题意可知,当金属杆为50cm时,阻值为5Ω,所以当阻值为2Ω时,此时弹簧的长度为20cm,
由乙图可知,此时风力为4N;
故答案为:(1)A;(2)2,E,5;(3)4.