?黑河市教師進修學校 王桂梅
例1:如下圖所示,表示一種自動測定油箱內油面高度的裝置,R是滑動變阻器,它的金屬片是杠桿的一端。從油量表(由電流表改裝而成)指針所指的刻度,就可以知道油箱內油面的高度。
(1)當油箱向外輸油時,油量表的示數將_______。
(2)若圖中電源電壓為24V,電流表的量程為0~0.6A,滑動變阻器的最大值為80歐,為了保證電流表不超量程,保護電阻R′的最小阻值應是___________歐。
分析:這種自動測定油箱內油面高度的裝置是由電源、定值電阻R′、油量表(由電流表改裝而成)、滑動變阻器組成的串聯電路。它的工作原理是:當油箱向外輸油時,油面高度下降,浮標高度降低,與之相連的杠桿一端金屬片在滑動變阻器上向上滑動,滑動變阻器接入電路中的電阻增大,電路中的電流減小,由電流表改裝而成的油量表的示數減小,由油量表指針所指的刻度就可以知道油箱內油面的高度。
解答:(1)根據分析,當油箱向外輸油時,油量表的示數將變小。
(2)當油面上升,浮標高度升高,與之相連的杠桿一端的金屬片在滑動變阻器上向下滑動,滑動變阻器接入電路中的阻值減小,當滑動變阻器滑片滑到最下端(接入電路中電阻為0),且電流表達到最大值時,此時保護電阻R′的阻值是它起保護作用的最小值。
拓展延伸
1.如果將R′省去可以嗎?
分析:如果將R′省去,當向油箱中注油,油箱中油面達到一定高度后,滑動變阻器接入電路中的電阻減小到小于40Ω,電路中的電流超出油量表(由電路表改裝而成)的量程0.6A,損壞電表。所以R′不能省去。
2.如果將電流表換成電壓表,電路如何改裝。
分析:有兩種方案。
方案一:將電壓表并聯在滑動變阻器接入電路中部分的兩端(電壓表兩端分別接在電源左端或滑動變阻器最下端和滑片上),這種情況,當油面上升時浮標上升,滑片向下滑動,滑動變阻器接入電路中的電阻減小,電路中總電阻減小,電路中電流增大,R′兩端電壓增大,R兩端電壓減小,油量表(由電壓表改裝而成)示數減小,當油面下降時,浮標下降,滑片向上滑動,滑動變阻器接入電路中的電阻增大,電路中總電阻增大,電路中電流減小,定值電阻兩端R′兩端電壓減小,滑動變阻器兩端電壓增大,油量表(由電壓表改裝而成)示數增大。這種情況下,當油面下降時,油量表指針向右偏轉,當油面升高時,油量表指針向左偏轉。可以根據油量表(由電壓表改裝而成)指針所指的刻度,知道油箱內油面的高度,但與人們的讀表習慣有沖突,人們的習慣是當油面下降時,油量表指針向左偏轉,當油面升高時,油量表指針向右偏轉。所以,這種方案不可取。
方案二:將電壓表并聯在定值電阻R′的兩端,這種情況,當油面上升時,浮標上升,滑片向下滑動滑動變阻器接入電路中的電阻減小,滑動變阻器兩端電壓減小,定值電阻兩端的電壓增大,油量表(由電壓表改裝而成)示數增大,當油面下降時,浮標下降,滑片向上滑動,滑動變阻器接入電路中的電阻增大,滑動變阻器兩端電壓增大,定值電阻兩端的電壓減小,油量表(由電壓表改裝而成)示數減小。這種情況既能根據油量表(由電壓表改裝而成)指針所指的刻度,知道油箱內油面的高度,又符合人們的讀表習慣。所以,這個方案是可取的。
改裝后的電路如下圖所示。
例2:劉剛同學在物理實踐活動中,準備設計一種測定油箱內油面高度的裝置,所用器材和電路元件如圖甲所示,R是滑動變阻器,它的金屬滑片是杠桿的一端,R′是定值電阻,油量表由電壓表改裝而成。要求:油面浮標上升時,油量表示數變大,反之,油量表示數則變小。請你幫助劉剛同學將定值電阻R′和油量表連入電路合適位置。
分析:這道題是對例1的改編,是將例1的條件和問題(1)調換。例1問題(1)給出電路連接情況,判斷當油箱向外輸油時,油量表示數的變化情況。改編后是給出油面浮標變化情況,根據題目要求將電路元件正確連入電路。有了例1的基礎,很容易就可以按要求將定值電阻R′和油量表連入電路合適位置。
定值電阻R′和油量表連入電路合適位置的電路如圖乙所示。
例3:物理實驗活動中,設計如右上圖所示的4種用電流表和電壓表示數反映彈簧所受壓力大小的電路,其中R′是滑動變阻器,R是定值電阻,電源兩極間電壓恒定。4個電路中有一個電路能實現壓力增大,電表示數增大,這個電路是( ).
分析:A電路當壓力增大時,彈簧收縮,金屬片向下滑動,滑動變阻器R′接入電路中的電阻增大,電路中總電阻增大,電流減小,電流表的示數減小,不能滿足壓力增大,電表示數增大,所以A選項是錯誤的。B電路當壓力增大時,彈簧收縮,金屬片向下滑動,滑動變阻器接入電路中的電阻增大,電路中總電阻增大,電流減小,定值電阻兩端電壓減小,滑動變阻器R′兩端電壓增大,由于電壓表并聯在滑動變阻器的兩端,測量的是滑動變阻器兩端的電壓,所以電壓表的示數增大,滿足壓力增大,電表示數增大的要求,所以B選項是正確的。C電路電壓表并聯在電源兩端,測量的是電源電壓,不能滿足壓力增大電表示數增大的要求。D電路當壓力增大時,彈簧收縮,金屬片向下滑動,滑動變阻器接入電路中的電阻增大,電路中總電阻增大,電流減小,定值電阻R兩端電壓減小,由于電壓表并聯在定值電阻R的兩端,測量的是R兩端的電壓,所以電壓表示數減小,不能滿足壓力增大,電表示數增大的要求,所以D選項是錯誤的。
解答:B。
例4:為鍛煉身體,小明同學利用所學物理知識設計了一個電子拉力計,圖甲是原理圖。硬幣彈簧右端和金屬滑片P固定在一起(彈簧的電阻不計,P與R1間摩擦不計)。定值電阻R0=5Ω,ab是一根長為5cm的均勻電阻絲,阻值R1=25Ω,電源電壓U=3V,電流表的量程為0~0.6A。(1)小明在電路中連入R0的目的是_______________;(2)當拉環(huán)不受拉力時,滑片P處于a端,閉合開關后,電流表的讀數為________A;(3)已知該彈簧伸長的長度△L與所受拉力F間的關系如圖乙所示,通過計算說明,開關S閉合后,當電流表的指針指到0.3A,作用在拉環(huán)上水平向右的拉力為多大。
解答:(1)電路中連入R0的目的是保護電路;
(2)滑片P處于a端時,R1全部串聯在電路中,
由于R0的阻值是5Ω,此時均勻電阻絲R1接入電路中的阻值為R1′,
由于ab是一根長為5cm的均勻電阻絲,阻值R1=25Ω,均勻電阻絲R1接入電路中的阻值為R1′=5Ω時,接入電路中電阻絲的長度為1cm,滑片P向右滑動4cm,說明彈簧伸長的長度△L為4cm。根據彈簧伸長的長度△L與所受拉力F間的關系圖像可以判斷出,此時作用在拉環(huán)上水平向右的拉力為400N。
例5:如下圖所示是大型電子地磅的電路圖。當稱重物時,在壓力作用下滑片P向B端滑動,變阻器連入電路的電阻_____________,電流表的示數______________(選填“變大”、“變小”或“不變”)。這樣把電流表對應的重量刻在電流表的刻度盤上,就可以讀出被稱物體的重量。
分析:當稱重物時,在壓力作用下滑片P向B端滑動,變阻器連入電路的電阻減小,電路中的總電阻減小,根據歐姆定律,電路中的電流增大,電流表的示數變大。
解答:減小,變大。
例6:如右上圖所示是童童設計的壓力傳感器的原理圖,其中彈簧上端和滑動變阻器的滑片P固定在一起,AB間有可收縮的導線,R1為定值電阻。當閉合開關S,壓力F增大時,電流表與電壓表示數變化情況是( ).
A.電流表示數變大,電壓表示數變小
B.電流表示數變小,電壓表示數變大
C.電流表、電壓表示數都變大
D.電流表、電壓表示數都變小
分析:當壓力F增大時,彈簧AB間可收縮的導線收縮,與彈簧上端固定在一起的滑動變阻器的滑片P向下滑動,滑動變阻器接入電路中的電阻增大,電路中的總電阻增大,根據歐姆定律,電路中電流減小,電流表的示數減小。由于I減小,定值電阻R1兩端的電壓減小,由于電源電壓不變,滑動變阻器兩端的電壓增大,由于電壓表測量的是滑動變阻器兩端的電壓,所以電壓表的示數增大。
解答:B。
例7:小明觀察了市場上自動測高儀后,設計了以下4個電路。其中R′是滑動變阻器,R是定值電阻,電源兩極間電壓恒定,其中能實現身高越高,電壓表示數越大的電路是()。
分析:A電路中電壓表串聯在電路中,不符合電壓表要與被測電阻并聯的要求;B電路中電壓表并聯在滑動變阻器的兩端,身高變高滑動變阻器的滑片向上移動,滑動變阻器接入電路中的電阻變大,電路中總電阻增大,根據歐姆定律,電路中電流減小,定值電阻R兩端電壓減小,由于電源電壓恒定,所以滑動變阻器兩端電壓增大,電壓表示數增大。符合題目身高越高電壓表示數越大的要求。C電路中電壓表并聯在電源兩端,測量的是電源電壓,所以不能滿足題目要求。D電路中電壓表并聯在電阻R兩端,身高變高時電壓表示數減小,不符合題目要求。
解答:B。
例8:藍藍設計了一種測定風力的裝置,金屬迎風板與絕緣輕質彈簧的一端N相接,一起套在有一定電阻的光滑金屬桿上。電路中左端導線與金屬桿的M端相連,右端導線接在迎風板的N端,并可隨迎風板在金屬桿上滑動,導線與金屬桿接觸良好。電源兩端電壓不變,閉合開關,當風力增大時,電壓表的示數將。
A.變小 B.不變 C.變大 D.無法判斷
分析:當風力增大時,迎風板向左移動,金屬桿接入電路中的長度減小,金屬桿接入電路中的電阻減小,電路中總電阻減小,電流增大,定值電阻R兩端電壓增大。由于電源電壓不變,所以金屬桿兩端電壓減??;由于電壓表并聯在金屬桿兩端,測量的是金屬桿兩端的電壓,所以,電壓表示數減小。所以A選項是正確的。
解答:A。
例9:小明同學設計的“風力測試儀”在學??萍脊?jié)上備受師生們的青睞,“風力測試儀”的原理如右上圖所示。電源電壓6V,R0為保護電阻,AB為長20cm、阻值為50Ω的均勻電阻絲。OP為質量、電阻均不計的金屬桿,下端連接一個重為2N的球P,閉合開關S,無風時,OP下垂并與電阻絲的B端接觸;有風時,球P受風力的作用,使金屬細桿OP繞懸掛點O偏轉,當偏轉到電阻絲的A端時,電流表示數為0.6A。已知懸掛點O與電阻絲B端的距離為10cm,金屬桿OP始終與電阻絲AB接觸良好且無摩擦,求:(1)R0的阻值;(2)無風時電流表示數。
分析:由圖可知,這種“風力測試儀”的原理是:當有風時球P受風力的作用,使金屬細桿OP繞懸掛點O偏轉,金屬桿接入電路中的長度減小,金屬桿接入電路中的電阻減小,電路中的總電阻減小,根據歐姆定律,電路中的電流增大,電流表的示數增大。
由于當金屬細桿偏轉到電阻絲的A端時,電流表的示數為0.6A,此時R桿=0Ω,
(2)由于無風時OP下垂并與電阻絲的B端接觸,此時金屬桿接入電路中的電阻為50Ω,根據歐姆定律