Question

如图甲是小明设计的一种测定风力的装置，它可以根据电压表的读数反映风力大小，该装置的迎风板与一轻弹簧的一端相接，穿在光滑的金属杆上，弹簧是用绝缘材料制成的，原长为0.5m，受到压力后会缩短，其缩短的长度△L与它所受的压力F的关系如图乙所示．迎风板面积为0.5m²，工作时总是正对着风吹来的方向．电路中左端导线与金属杆M端相连，右端导线接在N点并可随迎风板在金属杆上滑动，且与金属杆接触良好．金属杆粗细均匀，有一定的电阻，每10cm长的金属杆其电阻为0.1Ω．电路中电阻R₁的阻值为1.5Ω，电源电压为9V．

（1）合上开关S，没有风吹时，弹簧处于原长．此时电压表的示数是多少？
（2）由于风力的作用，迎风板向左压缩弹簧，从而使电压表读数为7.5V，此时作用在迎风板上的风力多大？
（3）若风速为20m/s，那么每分钟内有多少千克的空气冲击迎风板？（ρ_空气=1.3kg/m³）

Answer

（1）由图可知R1与弹簧处于原长时，R1与金属杆串联，电压表并联在R1两端，则由欧姆定律可求得电路中的电流，再对R1由欧姆定律可得出电压表的示数；
（2）由欧姆定律可求得电路中的电流，则再由欧姆定律可求得金属杆的接入电阻，则由题意可求得弹簧的缩短的长度，由图可求得风力；
（3）由风的运动速度及迎风板的面积可求得每分钟内冲击迎风板的体积，则由密度公式可求得冲击迎风板的质量．
【解析】
（1）由欧姆定律可得：
电路中电流I==4.5A；
U1=IR1=4.5A×1.5Ω=6.75V；
（2）对R1由欧姆定律可得电路中的电流：
I'==5A；
则金属杆的接入电阻：R'==0.3Ω；
则金属杆的接入长度为0.3m，则弹簧改变的长度：△L=0.5m-0.3m=0.2m；
由图象可知此时作用在迎风板上的风力为260N；
（3）1分钟内经过迎风板的长度l=vt，
则1分钟内经过迎风板的体积：
V=sl=svt=0.5m2×20m/s×60s=600m3；
经过迎风板的风的质量为：m=ρV=1.3kg/m3×600m3=780kg；
答：（1）电压表的示数为6.75V；（2）作用在迎风板上的风力为260N；（3）每分钟内作用在迎风板上的质量为780kg．