电学应用性试题扫描

夏振华

以物理实验器材为元件，通过巧妙的构思与设计，组装成电子拉力计、电子秤、电子温度计等科技含量偏高的装置，进而设置相关的物理问题——这类电学应用性试题是近年来中考物理的热点和亮点。应用性电学试题将物理知识融入现代生活，在客观上考查学生分析、解决问题能力的同时，启迪学生从生活走向物理，从物理走向社会，充分体现了新课标物理的基本理念。

一、电子拉力计

例（2008•南宁）为锻炼身体，小刚利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，图1甲所示是其原理。硬质弹簧上端和金属滑片P固定在一起（弹簧的电阻不计，P与R接触良好且摩擦不计）。定值电阻R=5 Ω，R是一根长为5 cm的均匀电阻线（阻值跟长度成正比），其最大阻值为25 Ω，电源电压为3 V，电压表的量程为0～3 V，当不拉拉环时，金属滑片P刚好处于b端。已知该弹簧伸长的长度L与所受拉力F间的关系如图1乙所示。求：

（1）小刚要把电压表的表盘改为拉力计的表盘，当不拉拉环时，拉力计表盘上的零刻度应标在电压表表盘的何处？

（2）闭合开关，当电压表的指针指在1.5 V时，电阻线接入电路中的电阻值为多少？此时，作用在拉环上竖直向上的拉力为多少？

解析（1）当拉环不受拉力作用时，此时滑片P处于b端，I== A=0.1 A

电压表示数U=IR=0.1×5 V=0.5 V

可见，拉力计表盘上的零刻度应标在电压表表盘的0.5 V处。

（2）当电压表的指针指在1.5 V时，U=1.5 V

I== A=0.3 A

U=U-U=（3-1.5） V=1.5 V

电阻线接入电路中的电阻值R== Ω=5 Ω

弹簧伸长L=×5 cm=4 cm

由图象乙知，弹簧伸长4 cm时，F=400 N。

点评将弹簧与滑动变阻器组合，拉伸弹簧引起滑动变阻器接入电阻改变，通过电表来显示拉力，这是典型的电子拉力计电路。要注意这类电路往往是形似神离，将电压表位置改变或换为电流表，解答就会大相径庭，我们要灵活应对。

二、电子秤

例（2008•来宾）小明设计了一个测量物体质量的“托盘秤”，图2甲是其原理示意图，其中托盘上放置物体，压力传感器R的电阻值会随所受压力大小发生变化，杠杆ABO可绕O点转动，电压表的量程为0～3 V（可显示质量大小）。已知OB ∶ BA＝1 ∶ 2，电阻R＝100 Ω，压力传感器R表面能承受的最大压力为400 N，压杆与压力传感器的接触面积为2 cm２，压力传感器R的电阻值随所受压力变化的图象如图2乙所示。电源电压恒定不变，秤达到最大称量时，电压表的示数也达到最大值，托盘和杠杆组件的质量忽略不计。求：

（1）该压力传感器能承受的最大压强。

（2）电源电压。

（3）当电压表的示数为1.5 V时，托盘上被测物体的质量。（g＝10 N/kg）

解析（1）压力传感器能承受的最大压强p== Pa=2×106 Pa。

（2）当秤达到最大称量时，电压表示数为U=3 V，压力传感器R表面所能承受的压力为400 N，由图乙知R=50 Ω。

I== A=0.03 A，

电源电压U=I（R+R）=0.03×（100+50） V=4.5 V。

（3）当电压表的示数为1.5 V时，

U=U-U=（4.5-1.5） V=3 V

I′== A=0.015 A，R== Ω=200 Ω。

对照图象可知F=250 N，根据杠杆原理：

F•OA=G•OB， G=•F=3×250 N=750 N

被测物体的质量m== kg=75 kg。

点评本题通过“压力传感器”将电学与力学知识巧妙整合在一起，来考查压强、杠杆原理、串联电路、欧姆定律等重点知识，同时还考查了对图象的处理能力和综合运用能力。物理课本上虽然没有介绍压力传感器的知识，但阅读题目后会发现它的功能等同于变阻器，所以可以将它看作是一种通过压力来改变电阻的“变阻器”。与此类似的新问题，在中考中经常遇到，我们一定要学会适应。

三、电子压力表

例（2008•无锡）在学校举行的物理创新大赛上，小明和小红所在的科技小组分别设计了一种测量托盘所受压力的压力测量仪，如图3甲、乙所示。两装置中所用的器材与规格完全相同，压力表是由电压表改装而成，R为定值电阻，阻值为10 Ω，R为滑动变阻器，规格为“10 Ω 1 A”。金属指针OP可在金属杆AB上滑动，且与它接触良好，金属指针和金属杆电阻忽略不计。M为弹簧，在弹性限度内，它缩短的长度与其所受的压力大小成正比。当托盘所受压力为零时，P恰好位于R的最上端；当托盘所受压力为50 N时，P恰好位于R的最下端，此时弹簧的形变仍在弹性限度内。

（1）甲装置中，当P位于R的最下端时，电压表的示数为3 V，则电源电压是多少？

（2）甲装置中，压力25 N的刻度位置标在电压表表盘多少伏的刻度线上？

（3）在甲、乙两种装置中，两压力表的刻度特点有何不同？试说明理由。

解析（1）甲装置中R、R串联，电压表测量R两端电压，当P位于R的最下端时，R=10 Ω，串联电路电流I== A=0.3 A。电源电压U=I（R+R）=0.3×（10+10） V=6 V。

（2）当托盘所受压力为零时，P恰好位于R的最上端；当托盘所受压力为50 N时，P恰好位于R的最下端。所以，压力为25 N时P位于R的中点，R=5 Ω。电压表示数U=IR== V=2 V。

（3）甲装置中压力表的刻度是不均匀的，乙装置中压力表的刻度是均匀的。

甲装置中当托盘所受压力改变时，R接入电路中的电阻发生变化，引起电路中的电流也发生变化。所以，甲装置中压力表的刻度是不均匀的。

乙装置中当托盘所受压力改变时，R接入电路中的电阻不变，电路中的电流保持不变，电压表的示数随着与它并联的电阻值而发生改变。因而，乙装置中压力表的刻度是均匀的。

点评这种压力计还可以用来测量物理的质量，有的资料上也称之为电子秤。它的原理与电子拉力计原理相似，不同之处是施加压力使弹簧压缩，带动变阻器滑片移动，从而改变电压表的示数。本题中涉及两种压力表刻度特点的比较，解此类题需要我们具有一定的分析、比较、概括能力。

四、电子温度计

例（2008•宿迁）半导体材料的导电能力介于导体和绝缘体之间，其电阻受温度影响较大，图4甲是某种半导体材料的电阻随温度变化的关系图象。根据这种半导体材料电阻的特性，小明和他的同学设计了一个电路（如图4乙所示），可以测定某一空间的温度。使用的器材如下：半导体电阻、电源、电流表（0~0.6 A）、开关、定值电阻R（10 Ω）、导线若干。

（1）定值电阻R的作用是什么？

（2）当环境温度为20 ℃时，电流表的读数为0.2 A，求电源电压。

（3）电流表的读数为0.4 A时，求当时的环境温度。

（4）当环境温度为100 ℃时，求半导体电阻的电功率。

解析（1）从电路图可以看出定值电阻R在电路中起限流作用，保护电路。

（2）当环境温度为20 ℃时，由图4甲知半导体电阻R=50 Ω，R与R串联，电源电压U=I（R+R）=0.2×（50+10） V=12 V。

（3）电流表的读数为0.4 A时，R== Ω=30 Ω

半导体电阻R=R－R=（30－10） Ω=20 Ω

对照图象甲知环境温度为40 ℃。

（4）当环境温度为100 ℃时，半导体电阻R=10 Ω。

I== A=0.6 A

半导体电阻的电功率P=I2R=0.62×10W=3.6W。

点评利用半导体材料的热敏效应可以测量温度，还可以设计温度自动控制电路，这是新科技与中考物理的又一结合点。本题在考查基本电学知识的同时，还要求学生有较强的图象阅读能力，能从中提取有用信息，顺利解答问题。

五、风力测定仪

例（2008•包头）某实验小组设计了一种测定风力的装置，其原理如图5所示。质量m＝0．6 kg的小球用一根轻质细金属丝OP悬于O点，AB为一根水平放置的电阻丝，其电阻随长度均匀变化，它与细金属丝始终保持良好接触且无摩擦，R＝10 Ω，为电路保护电阻。已知AB＝10 cm，且单位长度电阻λ＝2 Ω/cm，悬挂点O与电阻丝A端的距离为5 cm。无风时细金属丝自然下垂，在A点与电阻丝接触，这时电流表示数为0.5 A。有风时细金属丝将发生偏转，已知偏转角θ与小球所受风力F满足F＝mg•tanθ。（g=10 N／kg，电源电压保持不变，细金属丝的电阻忽略不计）

（1）求电源电压。

（2）若风力F增大，电流表示数如何变化？请说明由。

（3）如果将电流表盘面刻度改成风力刻度，那么在1 A刻度处应标上多少牛？

解析（1）无风时，细金属丝与A点接触，整个电阻丝接入电路，其电阻为R=10×2 Ω=20 Ω，电源电压U=I（R+R）=0.5×（10+20） V=15 V。

（2）当风力F增大时，细金属丝向左偏转，电阻丝接入电路的电阻变小，而电源电压不变，所以电流表的示数变大。

（3）当电流表示数I=1 A时，R== Ω=15 Ω，电阻丝接入电路的电阻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。

可见，在电流表的1 A刻度处应标上9 N。

点评利用风力带动变阻器滑片移动而改变接入电路的电阻，通过电流表或电压表显示风力的大小，这是风力测定仪的原理。本题主要涉及串联电路、欧姆定律、导体电阻与长度关系等知识，难点是装置图识别和电阻丝接入长度与连入电路的电阻大小的计算。有的风力测定仪还可能涉及杠杆平衡问题。