電學應用性試題掃描

夏振華

以物理實驗器材為元件，通過巧妙的構思與設計，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，進而設置相關的物理問題——這類電學應用性試題是近年來中考物理的熱點和亮點。應用性電學試題將物理知識融入現(xiàn)代生活，在客觀上考查學生分析、解決問題能力的同時，啟迪學生從生活走向物理，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，小剛利用所學物理知識設計了一個電子拉力計，圖1甲所示是其原理。硬質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標在電壓表表盤的何處？

（2）閉合開關，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，我們要靈活應對。

二、電子秤

例（2008?來賓）小明設計了一個測量物體質量的“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點轉動，電壓表的量程為0～3 V（可顯示質量大?。?。已知OB ∶ 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

被測物體的質量m== kg=75 kg。

點評本題通過“壓力傳感器”將電學與力學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，我們一定要學會適應。

三、電子壓力表

例（2008?無錫）在學校舉行的物理創(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，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，此時彈簧的形變仍在彈性限度內。

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

（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，半導體電阻R=10 Ω。

I== A=0.6 A

半導體電阻的電功率P=I2R=0.62×10W=3.6W。

點評利用半導體材料的熱敏效應可以測量溫度，還可以設計溫度自動控制電路，這是新科技與中考物理的又一結合點。本題在考查基本電學知識的同時，還要求學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）某實驗小組設計了一種測定風力的裝置，其原理如圖5所示。質量m＝0．6 kg的小球用一根輕質細金屬絲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，已知偏轉角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，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、導體電阻與長度關系等知識，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。