Question

4．學(xué)習(xí)了電學(xué)知識(shí)后，小明、小亮和小艷所在的興趣小組發(fā)現(xiàn)：電學(xué)量的變化往往能夠用來反映力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等物理量的變化．在馮老師的點(diǎn)撥下，他們在探究過程中不斷完善和優(yōu)化方案，共同設(shè)計(jì)了一種用電學(xué)量的變化來反映力學(xué)量--距離變化的裝置．

（1）如圖甲所示是他們最初設(shè)計(jì)的裝置原理圖．圖中R₀是定值電阻，ab是總電阻為9歐、長60cm、粗細(xì)均勻、電阻隨長度均勻變化，且沿豎直方向固定放置的金屬桿，M是上下均有掛環(huán)、可沿豎直導(dǎo)軌上下移動(dòng)的小物塊，M上連有一根左端有滑片P、電阻不計(jì)的水平金屬細(xì)桿，細(xì)桿與導(dǎo)線以及P與ab均接觸良好，P在ab的中點(diǎn)時(shí)，對應(yīng)于M既不上移也不下移的位置． 除金屬桿ab、小物塊M、金屬細(xì)桿和導(dǎo)軌外，他們還準(zhǔn)備了以下器材：
A．電源（提供4V的穩(wěn)定電壓）
B．電流表A（量程0-0.6A）
C．電壓表V₁（量程0～3V）
D．電壓表V₂（量程0～15V）
E．定值電阻R0（1歐、3歐、5歐和6歐的電阻各一個(gè)）
F．開關(guān)S一個(gè)，導(dǎo)線（足夠長）若干
①認(rèn)真研究該原理圖后，小艷認(rèn)為圖中只需一個(gè)電表即可，于是她將電流表去掉，則電流表所在處應(yīng)該用一根導(dǎo)線替代（填“讓其斷路”或“用一根導(dǎo)線替代”）．
②小明和小亮認(rèn)為：該裝置應(yīng)該盡量大地反映M移動(dòng)的距離范圍，同時(shí)還希望電壓表上的每根刻度線都能夠表示出M移動(dòng)的距離值．要達(dá)到此目的，電壓表應(yīng)該選C（填器材序號(hào)字母）；定值電阻應(yīng)該選阻值為3歐的．
③在他們改進(jìn)并初步完善的設(shè)計(jì)方案中，P在ab的中點(diǎn)，M既不上移也不下移時(shí)，電壓表的示數(shù)是1.5V．
（2）馮老師在充分肯定他們的設(shè)計(jì)方案后，提出-個(gè)建議：能否在上述改進(jìn)并初步完善的方案基礎(chǔ)上再想想辦法，使測量的距離范圍更大？他們經(jīng)過熱烈討論后，決定增加一組滑輪組試試如圖乙中的A、B、C是小明、小亮和小艷分別畫出的滑輪組與M連接的示意圖．他們希望通過電表的示數(shù)間接反映繩上N點(diǎn)的移動(dòng)距離，且要求N點(diǎn)移動(dòng)距離范圍超過M．
①小明的連接方式能夠達(dá)到目的嗎？請說明理由．不能，根據(jù)滑輪組繩的繞法可知，N點(diǎn)的移動(dòng)距離范圍小于M．
②小亮（填“小明”、“小亮”或“小艷”）的連接方式，測量的N點(diǎn)移動(dòng)距離范圍最大．該連接方式中，電壓表量程的l/3刻度線處表示的N點(diǎn)移動(dòng)距離為50cm（填“向上”或“向下”移動(dòng)的距離值）．

Answer 1

分析 （1）①電流表的內(nèi)阻很小，對電流的阻礙作用可忽略；
②根據(jù)電源電源值和ab的阻值可判斷電壓表的量程以及定值定值的阻值；
③利用歐姆定律計(jì)算電路的電流，再求得 $\frac{1}{2}$ab上的電壓，即為電壓表的示數(shù)；
（2）①根據(jù)小明滑輪組的連接情況判斷M與N的移動(dòng)距離的大小后，說明理由；
②滑輪組自由端繩子的移動(dòng)距離與承擔(dān)動(dòng)滑輪的繩子段數(shù)有關(guān)；由電壓表示數(shù)判斷P點(diǎn)的位置，推斷出M移動(dòng)的距離，就可知N移動(dòng)的距離．

解答 解：（1）①電路中如果把電流表去掉，可以用一根導(dǎo)線替代；
②電源只有4V，還希望電壓表上的每根刻度線都能夠表示出所移動(dòng)的距離值，如果用0--15V量程時(shí)，指針偏轉(zhuǎn)較小，達(dá)不到要求，所以須選用0--3V量程的電壓表；選用較大定值電阻時(shí)，由串聯(lián)電路的分壓作用，ab上分得的電壓較少，電壓表變化不明顯，選用較小定值定值時(shí)，電壓表有可能超量程，所以選用3Ω的定值電阻；
③當(dāng)滑片位于滑動(dòng)變阻器中點(diǎn)時(shí)，電路的電流：I=$\frac{U}{R}$=$\frac{4V}{3Ω+9Ω}$=$\frac{1}{3}$A，電壓表的示數(shù)為：U′=I×R_ap=$\frac{1}{3}$A×$\frac{9}{2}$Ω=1.5V；
（2）①小明連接的滑輪組不能達(dá)到要求，因?yàn)楦鶕?jù)滑輪組繩的繞法可知，N點(diǎn)的移動(dòng)距離范圍小于M；
②由滑輪組提升物體時(shí)繩子自由端移動(dòng)距離和物體移動(dòng)距離的關(guān)系可知，小亮連接的滑輪組中N移動(dòng)距離是M移動(dòng)距離的5倍，小艷連接的滑輪組中N移動(dòng)距離是M移動(dòng)距離的4倍，
當(dāng)電壓表刻線在$\frac{1}{3}$處時(shí)，電壓表的示數(shù)是1V，由串聯(lián)電路的分壓特點(diǎn)，可知滑片P應(yīng)向上滑到ap是$\frac{1}{3}$ab處，即向上移動(dòng)10cm，由裝置圖可知也就是M向上移動(dòng)10cm，根據(jù)小亮連接的滑輪組的特點(diǎn)，N點(diǎn)可移動(dòng)50cm；
故答案為：（1）①用一根導(dǎo)線替代；②C；3；③1.5V；
（2）①不能，根據(jù)滑輪組繩的繞法可知，N點(diǎn)的移動(dòng)距離范圍小于M；②小亮，50cm．

點(diǎn)評 此題是一道力學(xué)和電學(xué)的綜合題，考查了多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，體現(xiàn)了物理學(xué)的具體運(yùn)用，有一定的難度．