【分析】
这是一道力学与电学结合的实际应用型综合题,解题思路按模块逐步推进:
1. 第(1)小问:先观察电压表的量程和分度值,准确读出电压表示数;已知目标截取的电阻阻值为40Ω,直接套用欧姆定律I=U/R,代入已读出的电压值和目标电阻值,算出对应的电流,移动鳄鱼夹直到电流等于该数值,此时截取的电阻就恰好为40Ω。
2. 第(2)①小问:代入阿基米德原理公式,将一半浸入汽油的排开体积代入计算浮力;浮子始终处于漂浮状态,浮力等于自身重力,浮子重力不变则浮力不变,因此浸入汽油的体积也不会发生变化。
3. 第(2)②小问:明确电路为定值电阻R和电阻片接入部分串联,利用两次不同滑片位置的电流,结合电源电压恒定不变的特点列欧姆定律方程组,求解得到电源电压和定值电阻R的阻值;再代入0.5A的电流条件算出此时电阻片接入的阻值,利用电阻片阻值和长度成正比的规律,结合总阻值40Ω对应0~10cm的油面变化范围,用比例法算出对应的油面高度。
【解析】
(1) 图乙中电压表选用0~15V量程,分度值为0.5V,读数为12V;根据欧姆定律,要得到40Ω的电阻,对应的电路电流为:
$I=\frac{U}{R}=\frac{12\ \mathrm{V}}{40\ \Omega}=0.3\ \mathrm{A}$,移动鳄鱼夹直到电流表示数为0.3A即可得到目标电阻。
(2) ① 浮子一半体积浸入汽油,排开汽油的体积$V_\mathrm{排}=\frac{1}{2}×20\ \mathrm{cm}^3=10\ \mathrm{cm}^3=1×10^{-5}\ \mathrm{m}^3$,根据阿基米德原理:
$F_\mathrm{浮}=\rho_\mathrm{汽油}gV_\mathrm{排}=0.75×10^3\ \mathrm{kg/m}^3 ×10\ \mathrm{N/kg} ×1×10^{-5}\ \mathrm{m}^3=0.075\ \mathrm{N}$;
油面上升后浮子仍处于漂浮状态,浮力始终等于浮子自身重力,浮子重力不变,因此浮力不变,浸入汽油中的体积不变。
② 电路中定值电阻R和电阻片接入部分串联:
当OA在M端时,电阻片全部40Ω接入电路,此时电流$I_1=0.12\ \mathrm{A}$,电源电压满足:$U=I_1(R+R_\mathrm{总})=0.12\ \mathrm{A}×(R+40\ \Omega)$;
当OA在N端时,电阻片接入阻值为0,此时电流$I_2=0.6\ \mathrm{A}$,电源电压满足:$U=I_2R=0.6\ \mathrm{A}× R$;
联立两式解得$R=10\ \Omega$,代入得电源电压$U=0.6\ \mathrm{A}×10\ \Omega=6\ \mathrm{V}$。
当电流表示数$I_3=0.5\ \mathrm{A}$时,电路总电阻$R_\mathrm{总}'=\frac{U}{I_3}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.5\ \mathrm{A}}=12\ \Omega$,此时电阻片接入的阻值$R'=R_\mathrm{总}'-R=12\ \Omega-10\ \Omega=2\ \Omega$,即OA距离N端的电阻为2Ω,OA距离M端的电阻为$40\ \Omega-2\ \Omega=38\ \Omega$。
由于电阻片阻值和长度成正比,40Ω的电阻片对应油面从0cm到10cm的变化,因此油面高度$h=\frac{10\ \mathrm{cm}}{40\ \Omega}×38\ \Omega=9.5\ \mathrm{cm}$。
【答案】
(1) 12;0.3
(2) ① 0.075;不变 ② 6;10;9.5
【知识点】
欧姆定律计算,阿基米德原理,串联电路规律
【点评】
本题是结合自动油量表实际场景的力电综合题,既考查了电表读数、浮力基础计算等基础知识点,也考查了串联电路欧姆定律联立求解的能力,最后需要利用电阻与长度成正比的隐含条件通过比例法计算油面高度,对学生的综合应用能力有一定要求,易错点是最后油面高度对应的电阻段的判断。
【难度系数】
0.4