夏振華

以物理實驗器材為元件，通過巧妙的構(gòu)思與設(shè)計，組裝成電子拉力計、電子秤、電子溫度計等科技含量偏高的裝置，進而設(shè)置相關(guān)的物理問題——這類電學(xué)應(yīng)用性試題是近年來中考物理的熱點和亮點。應(yīng)用性電學(xué)試題將物理知識融入現(xiàn)代生活，在客觀上考查學(xué)生分析、解決問題能力的同時，啟迪學(xué)生從生活走向物理，從物理走向社會，充分體現(xiàn)了新課標物理的基本理念。

一、電子拉力計

例（2008?南寧）為鍛煉身體，小剛利用所學(xué)物理知識設(shè)計了一個電子拉力計，圖1甲所示是其原理。硬質(zhì)彈簧上端和金屬滑片P固定在一起（彈簧的電阻不計，P與R接觸良好且摩擦不計）。定值電阻R=5 Ω，R是一根長為5 cm的均勻電阻線（阻值跟長度成正比），其最大阻值為25 Ω，電源電壓為3 V，電壓表的量程為0～3 V，當不拉拉環(huán)時，金屬滑片P剛好處于b端。已知該彈簧伸長的長度L與所受拉力F間的關(guān)系如圖1乙所示。求：

（1）小剛要把電壓表的表盤改為拉力計的表盤，當不拉拉環(huán)時，拉力計表盤上的零刻度應(yīng)標在電壓表表盤的何處？

（2）閉合開關(guān)，當電壓表的指針指在1.5 V時，電阻線接入電路中的電阻值為多少？此時，作用在拉環(huán)上豎直向上的拉力為多少？

解析（1）當拉環(huán)不受拉力作用時，此時滑片P處于b端，I== A=0.1 A

電壓表示數(shù)U=IR=0.1×5 V=0.5 V

可見，拉力計表盤上的零刻度應(yīng)標在電壓表表盤的0.5 V處。

（2）當電壓表的指針指在1.5 V時，U=1.5 V

I== A=0.3 A

U=U-U=（3-1.5） V=1.5 V

電阻線接入電路中的電阻值R== Ω=5 Ω

彈簧伸長L=×5 cm=4 cm

由圖象乙知，彈簧伸長4 cm時，F(xiàn)=400 N。

點評將彈簧與滑動變阻器組合，拉伸彈簧引起滑動變阻器接入電阻改變，通過電表來顯示拉力，這是典型的電子拉力計電路。要注意這類電路往往是形似神離，將電壓表位置改變或換為電流表，解答就會大相徑庭，我們要靈活應(yīng)對。

二、電子秤

例（2008?來賓）小明設(shè)計了一個測量物體質(zhì)量的“托盤秤”，圖2甲是其原理示意圖，其中托盤上放置物體，壓力傳感器R的電阻值會隨所受壓力大小發(fā)生變化，杠桿ABO可繞O點轉(zhuǎn)動，電壓表的量程為0～3 V（可顯示質(zhì)量大?。Ｒ阎狾B ∶ BA＝1 ∶ 2，電阻R＝100 Ω，壓力傳感器R表面能承受的最大壓力為400 N，壓桿與壓力傳感器的接觸面積為2 cm２，壓力傳感器R的電阻值隨所受壓力變化的圖象如圖2乙所示。電源電壓恒定不變，秤達到最大稱量時，電壓表的示數(shù)也達到最大值，托盤和杠桿組件的質(zhì)量忽略不計。求：

（1）該壓力傳感器能承受的最大壓強。

（2）電源電壓。

（3）當電壓表的示數(shù)為1.5 V時，托盤上被測物體的質(zhì)量。（g＝10 N/kg）

解析（1）壓力傳感器能承受的最大壓強p== Pa=2×106 Pa。

（2）當秤達到最大稱量時，電壓表示數(shù)為U=3 V，壓力傳感器R表面所能承受的壓力為400 N，由圖乙知R=50 Ω。

I== A=0.03 A，

電源電壓U=I（R+R）=0.03×（100+50） V=4.5 V。

（3）當電壓表的示數(shù)為1.5 V時，

U=U-U=（4.5-1.5） V=3 V

I′== A=0.015 A，R== Ω=200 Ω。

對照圖象可知F=250 N，根據(jù)杠桿原理：

F?OA=G?OB， G=?F=3×250 N=750 N

被測物體的質(zhì)量m== kg=75 kg。

點評本題通過“壓力傳感器”將電學(xué)與力學(xué)知識巧妙整合在一起，來考查壓強、杠桿原理、串聯(lián)電路、歐姆定律等重點知識，同時還考查了對圖象的處理能力和綜合運用能力。物理課本上雖然沒有介紹壓力傳感器的知識，但閱讀題目后會發(fā)現(xiàn)它的功能等同于變阻器，所以可以將它看作是一種通過壓力來改變電阻的“變阻器”。與此類似的新問題，在中考中經(jīng)常遇到，我們一定要學(xué)會適應(yīng)。

三、電子壓力表

例（2008?無錫）在學(xué)校舉行的物理創(chuàng)新大賽上，小明和小紅所在的科技小組分別設(shè)計了一種測量托盤所受壓力的壓力測量儀，如圖3甲、乙所示。兩裝置中所用的器材與規(guī)格完全相同，壓力表是由電壓表改裝而成，R為定值電阻，阻值為10 Ω，R為滑動變阻器，規(guī)格為“10 Ω 1 A”。金屬指針OP可在金屬桿AB上滑動，且與它接觸良好，金屬指針和金屬桿電阻忽略不計。M為彈簧，在彈性限度內(nèi)，它縮短的長度與其所受的壓力大小成正比。當托盤所受壓力為零時，P恰好位于R的最上端；當托盤所受壓力為50 N時，P恰好位于R的最下端，此時彈簧的形變?nèi)栽趶椥韵薅葍?nèi)。

（1）甲裝置中，當P位于R的最下端時，電壓表的示數(shù)為3 V，則電源電壓是多少？

（2）甲裝置中，壓力25 N的刻度位置標在電壓表表盤多少伏的刻度線上？

（3）在甲、乙兩種裝置中，兩壓力表的刻度特點有何不同？試說明理由。

解析（1）甲裝置中R、R串聯(lián)，電壓表測量R兩端電壓，當P位于R的最下端時，R=10 Ω，串聯(lián)電路電流I== A=0.3 A。電源電壓U=I（R+R）=0.3×（10+10） V=6 V。

（2）當托盤所受壓力為零時，P恰好位于R的最上端；當托盤所受壓力為50 N時，P恰好位于R的最下端。所以，壓力為25 N時P位于R的中點，R=5 Ω。電壓表示數(shù)U=IR== V=2 V。

（3）甲裝置中壓力表的刻度是不均勻的，乙裝置中壓力表的刻度是均勻的。

甲裝置中當托盤所受壓力改變時，R接入電路中的電阻發(fā)生變化，引起電路中的電流也發(fā)生變化。所以，甲裝置中壓力表的刻度是不均勻的。

乙裝置中當托盤所受壓力改變時，R接入電路中的電阻不變，電路中的電流保持不變，電壓表的示數(shù)隨著與它并聯(lián)的電阻值而發(fā)生改變。因而，乙裝置中壓力表的刻度是均勻的。

點評這種壓力計還可以用來測量物理的質(zhì)量，有的資料上也稱之為電子秤。它的原理與電子拉力計原理相似，不同之處是施加壓力使彈簧壓縮，帶動變阻器滑片移動，從而改變電壓表的示數(shù)。本題中涉及兩種壓力表刻度特點的比較，解此類題需要我們具有一定的分析、比較、概括能力。

四、電子溫度計

例（2008?宿遷）半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其電阻受溫度影響較大，圖4甲是某種半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化的關(guān)系圖象。根據(jù)這種半導(dǎo)體材料電阻的特性，小明和他的同學(xué)設(shè)計了一個電路（如圖4乙所示），可以測定某一空間的溫度。使用的器材如下：半導(dǎo)體電阻、電源、電流表（0~0.6 A）、開關(guān)、定值電阻R（10 Ω）、導(dǎo)線若干。

（1）定值電阻R的作用是什么？

（2）當環(huán)境溫度為20 ℃時，電流表的讀數(shù)為0.2 A，求電源電壓。

（3）電流表的讀數(shù)為0.4 A時，求當時的環(huán)境溫度。

（4）當環(huán)境溫度為100 ℃時，求半導(dǎo)體電阻的電功率。

解析（1）從電路圖可以看出定值電阻R在電路中起限流作用，保護電路。

（2）當環(huán)境溫度為20 ℃時，由圖4甲知半導(dǎo)體電阻R=50 Ω，R與R串聯(lián)，電源電壓U=I（R+R）=0.2×（50+10） V=12 V。

（3）電流表的讀數(shù)為0.4 A時，R== Ω=30 Ω

半導(dǎo)體電阻R=R－R=（30－10） Ω=20 Ω

對照圖象甲知環(huán)境溫度為40 ℃。

（4）當環(huán)境溫度為100 ℃時，半導(dǎo)體電阻R=10 Ω。

I== A=0.6 A

半導(dǎo)體電阻的電功率P=I2R=0.62×10W=3.6W。

點評利用半導(dǎo)體材料的熱敏效應(yīng)可以測量溫度，還可以設(shè)計溫度自動控制電路，這是新科技與中考物理的又一結(jié)合點。本題在考查基本電學(xué)知識的同時，還要求學(xué)生有較強的圖象閱讀能力，能從中提取有用信息，順利解答問題。

五、風力測定儀

例（2008?包頭）某實驗小組設(shè)計了一種測定風力的裝置，其原理如圖5所示。質(zhì)量m＝0．6 kg的小球用一根輕質(zhì)細金屬絲OP懸于O點，AB為一根水平放置的電阻絲，其電阻隨長度均勻變化，它與細金屬絲始終保持良好接觸且無摩擦，R＝10 Ω，為電路保護電阻。已知AB＝10 cm，且單位長度電阻λ＝2 Ω/cm，懸掛點O與電阻絲A端的距離為5 cm。無風時細金屬絲自然下垂，在A點與電阻絲接觸，這時電流表示數(shù)為0.5 A。有風時細金屬絲將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，已知偏轉(zhuǎn)角θ與小球所受風力F滿足F＝mg?tanθ。（g=10 N／kg，電源電壓保持不變，細金屬絲的電阻忽略不計）

（1）求電源電壓。

（2）若風力F增大，電流表示數(shù)如何變化？請說明由。

（3）如果將電流表盤面刻度改成風力刻度，那么在1 A刻度處應(yīng)標上多少牛？

解析（1）無風時，細金屬絲與A點接觸，整個電阻絲接入電路，其電阻為R=10×2 Ω=20 Ω，電源電壓U=I（R+R）=0.5×（10+20） V=15 V。

（2）當風力F增大時，細金屬絲向左偏轉(zhuǎn)，電阻絲接入電路的電阻變小，而電源電壓不變，所以電流表的示數(shù)變大。

（3）當電流表示數(shù)I=1 A時，R== Ω=15 Ω，電阻絲接入電路的電阻R=R-R=（15-10） Ω=5 Ω

AC=10- cm=7.5 cm，tanθ===1.5

F＝mg?tanθ=0.6×10×1.5 N=9 N。

可見，在電流表的1 A刻度處應(yīng)標上9 N。

點評利用風力帶動變阻器滑片移動而改變接入電路的電阻，通過電流表或電壓表顯示風力的大小，這是風力測定儀的原理。本題主要涉及串聯(lián)電路、歐姆定律、導(dǎo)體電阻與長度關(guān)系等知識，難點是裝置圖識別和電阻絲接入長度與連入電路的電阻大小的計算。有的風力測定儀還可能涉及杠桿平衡問題。