Question

【題目】在物理課外實驗探究活動中，某小組設計了一個能反映水平風力大小的裝置，如圖甲所示，電源電壓恒定為 16V，R0 為定值電阻，L 為額定電壓是 2.5V 的小燈泡， 其 I-U 關系的部分數據如圖乙所示，AB 為長 14cm、阻值 60Ω粗細均勻的電阻絲（電阻絲的阻值與長度成正比），OP 為質量、電阻均不計的金屬細桿，下端連接一個重 2N 的圓球 P。閉合開關 S，無風時，OP 下垂并與 A 端接觸，此時電流表示數為 0.2A；有風時，OP 繞懸掛點 O 轉動，風對球的作用力 F 方向始終水平向右，已知 OA 為 10cm，OP 始終與 AB 接觸良好且摩擦忽略不計。求：

(1)電流表示數為 0.2A 時，燈泡的電阻為多少？

(2)無風時 R0 消耗的電功率？

(3)有風時，為防止燈泡燒壞（其兩端電壓不超過額定電壓），允許風對球施加的最 大作用力為多少？（OP 可看做以 O 為支點的杠桿）

Answer 1

【答案】(1) 5Ω； (2) 0.6W ；(3) 1.4N

【解析】

(1)由電路圖可知，燈泡L、定值電阻R0和電阻絲串聯，電流表測電路中的電流，當電流表示數為0.2A時，由圖乙可知此時燈泡兩端的電壓為1V，

所以燈泡的電阻

RL===5Ω

(2)無風時，OP下垂并與A端接觸，電阻絲接入阻值最大為60Ω，電阻絲兩端的電壓

UAB=IRAB=0.2A×60Ω=12V

因串聯電路中總電壓等于各分電壓之和，

所以，R0兩端的電壓：

U0=U-UL-UAB=16V-1V-12V=3V

則此時R0消耗的電功率：

P0=U0I=3V×0.2A=0.6W

(3)R0的阻值：

R0===15Ω

為防止燈泡燒壞，燈泡兩端的電壓UL額=2.5V，由圖乙可知，電路的最大電流I′=0.3A，此時風對球的壓力最大，OP繞O轉動的角度最大，設此時OP與AB的接觸點為C，

R0兩端的電壓

U0′=I′R0=0.3A×15Ω=4.5V

RBC兩端的電壓

UBC=U-UL額-U0′=16V-2.5V-4.5V=9V

此時電阻絲連入電路的電阻

RBC==30Ω

即電阻絲AB接入電路中的最小阻值為30Ω；

因電阻絲的電阻與電阻絲的長度成正比，

所以

BC=×AB=×14cm=7cm

則

AC=AB-BC=14cm-7cm=7cm

如圖，把OP視為杠桿，F的力臂為OD，G的力臂等于PD，

根據杠桿平衡條件可得

F×OD=G×PD

則

根據相似三角形的知識可得

所以

則

F=×G=×2N=1.4N

答：(1)電流表示數為0.2A時，燈泡的電阻為5Ω；

(2)無風時R0消耗的電功率為0.6W；

(3) 為防止燈泡燒壞，允許風對球施加的最大作用力為1.4N。