Question

4．學習了電學知識后，小明、小亮和小艷所在的興趣小組發(fā)現：電學量的變化往往能夠用來反映力學、熱學、光學等物理量的變化．在馮老師的點撥下，他們在探究過程中不斷完善和優(yōu)化方案，共同設計了一種用電學量的變化來反映力學量--距離變化的裝置．

（1）如圖甲所示是他們最初設計的裝置原理圖．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)、可沿豎直導軌上下移動的小物塊，M上連有一根左端有滑片P、電阻不計的水平金屬細桿，細桿與導線以及P與ab均接觸良好，P在ab的中點時，對應于M既不上移也不下移的位置． 除金屬桿ab、小物塊M、金屬細桿和導軌外，他們還準備了以下器材：
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）
F．開關S一個，導線（足夠長）若干
①認真研究該原理圖后，小艷認為圖中只需一個電表即可，于是她將電流表去掉，則電流表所在處應該用一根導線替代（填“讓其斷路”或“用一根導線替代”）．
②小明和小亮認為：該裝置應該盡量大地反映M移動的距離范圍，同時還希望電壓表上的每根刻度線都能夠表示出M移動的距離值．要達到此目的，電壓表應該選C（填器材序號字母）；定值電阻應該選阻值為3歐的．
③在他們改進并初步完善的設計方案中，P在ab的中點，M既不上移也不下移時，電壓表的示數是1.5V．
（2）馮老師在充分肯定他們的設計方案后，提出-個建議：能否在上述改進并初步完善的方案基礎上再想想辦法，使測量的距離范圍更大？他們經過熱烈討論后，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間接反映繩上N點的移動距離，且要求N點移動距離范圍超過M．
①小明的連接方式能夠達到目的嗎？請說明理由．不能，根據滑輪組繩的繞法可知，N點的移動距離范圍小于M．
②小亮（填“小明”、“小亮”或“小艷”）的連接方式，測量的N點移動距離范圍最大．該連接方式中，電壓表量程的l/3刻度線處表示的N點移動距離為50cm（填“向上”或“向下”移動的距離值）．

Answer 1

分析 （1）①電流表的內阻很小，對電流的阻礙作用可忽略；
②根據電源電源值和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；
（2）①根據小明滑輪組的連接情況判斷M與N的移動距離的大小后，說明理由；
②滑輪組自由端繩子的移動距離與承擔動滑輪的繩子段數有關；由電壓表示數判斷P點的位置，推斷出M移動的距離，就可知N移動的距離．

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的距離值，如果用0--15V量程時，指針偏轉較小，達不到要求，所以須選用0--3V量程的電壓表；選用較大定值電阻時，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，電壓表有可能超量程，所以選用3Ω的定值電阻；
③當滑片位于滑動變阻器中點時，電路的電流：I=$\frac{U}{R}$=$\frac{4V}{3Ω+9Ω}$=$\frac{1}{3}$A，電壓表的示數為：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到要求，因為根據滑輪組繩的繞法可知，N點的移動距離范圍小于M；
②由滑輪組提升物體時繩子自由端移動距離和物體移動距離的關系可知，小亮連接的滑輪組中N移動距離是M移動距離的5倍，小艷連接的滑輪組中N移動距離是M移動距離的4倍，
當電壓表刻線在$\frac{1}{3}$處時，電壓表的示數是1V，由串聯(lián)電路的分壓特點，可知滑片P應向上滑到ap是$\frac{1}{3}$ab處，即向上移動10cm，由裝置圖可知也就是M向上移動10cm，根據小亮連接的滑輪組的特點，N點可移動50cm；
故答案為：（1）①用一根導線替代；②C；3；③1.5V；
（2）①不能，根據滑輪組繩的繞法可知，N點的移動距離范圍小于M；②小亮，50cm．

點評 此題是一道力學和電學的綜合題，考查了多個知識點，體現了物理學的具體運用，有一定的難度．