(2007?肇慶二模)某研究性學(xué)習(xí)小組,為了探索航天器球形返回艙穿過大氣層時(shí)所受空氣阻力(風(fēng)力)的影響因素,進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究.如圖為測(cè)定風(fēng)力的實(shí)驗(yàn)裝置圖,其中CD是一段水平放置的長(zhǎng)為L(zhǎng)的光滑均勻電阻絲,電阻絲電阻較大;一質(zhì)量和電阻都不計(jì)的細(xì)長(zhǎng)細(xì)長(zhǎng)裸金屬絲一端固定于O點(diǎn),另一端懸掛球P,無(wú)風(fēng)時(shí)細(xì)金屬絲豎直,恰與電阻絲在C點(diǎn)接觸,OC=H;有風(fēng)時(shí)金屬絲將偏離豎直方向,與電阻絲相交于某一點(diǎn)(如圖中虛線所示).細(xì)金屬絲與電阻絲始終保持良好的導(dǎo)電接觸.
(1)已知電源的電動(dòng)勢(shì)為E,內(nèi)阻不計(jì),理想電壓表兩接線柱分別與O點(diǎn)和C點(diǎn)相連,球P的質(zhì)量為m,重力加速度為g,由此可以推得風(fēng)力大小F與電壓表示數(shù)的關(guān)系式為F=
mgL
EH
U
mgL
EH
U

(2)研究小組的同學(xué)猜想:風(fēng)力大小F可能與風(fēng)速大小v和球半徑r這兩個(gè)因素有關(guān),于是他們進(jìn)行了如下的實(shí)驗(yàn):
實(shí)驗(yàn)一:使用同一球,改變風(fēng)速,記錄了在不同風(fēng)速下電壓表的示數(shù).
表一  球半徑r=0.50cm
風(fēng)速(m/s) 10 15 20 30
電壓表示數(shù)(V) 2.40 3.60 4.81 7.19
由表一數(shù)據(jù)可知:在球半徑一定的情況下,風(fēng)力大小與風(fēng)速的關(guān)系是
風(fēng)力大小與風(fēng)速成正比
風(fēng)力大小與風(fēng)速成正比

實(shí)驗(yàn)二:保持風(fēng)速一定,換用同種材料、不同半徑的實(shí)心球,記錄了在球半徑不同情況下電壓表的示數(shù).
表二  風(fēng)速v=10m/s
球半徑(cm) 0.25 0.50 0.75 1.00
電壓表示數(shù)(V) 9.60 2.40 1.07 0.60
由表二數(shù)據(jù)可知:在風(fēng)速一定的情況下,風(fēng)力大小與球半徑的關(guān)系是
成正比
成正比
.(球體積公式V=
4
3
πr3

(3)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知風(fēng)力的大小F與風(fēng)速大小v、球半徑r的關(guān)系式為
F=kvr,式中k為常數(shù)
F=kvr,式中k為常數(shù)
分析:(1)設(shè)小球受到風(fēng)力為F時(shí)細(xì)金屬絲與豎直方向的夾角為θ,θ既與風(fēng)力有關(guān),又與電壓表示數(shù)U有關(guān).先以小球?yàn)檠芯繉?duì)象,根據(jù)平衡條件列式,得出F與θ的關(guān)系,再對(duì)電路進(jìn)行研究,根據(jù)串聯(lián)電路的分壓規(guī)律和電阻定律得出U與θ關(guān)系,即可得到風(fēng)力大小F與電壓表示數(shù)的關(guān)系式.
(2)分析表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,電壓表示數(shù)U與風(fēng)速v成正比關(guān)系,設(shè)出U與v之間的關(guān)系得出風(fēng)力大小與風(fēng)速大小的關(guān)系式;
(3)分析表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),電壓表示數(shù)U與球半徑r2成反比關(guān)系,設(shè)出U與r之間的關(guān)系得出風(fēng)力大小與球半徑大小的關(guān)系式;進(jìn)一步得出風(fēng)力大小F與風(fēng)速大小v、球的半徑r的關(guān)系式.
解答:解:(1)以小球?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)小球進(jìn)行受力分析,設(shè)小球受到風(fēng)力為F是細(xì)金屬絲與豎直方向的夾角為θ,由平衡條件可知其風(fēng)力
     F=mgtanθ   ①
設(shè)細(xì)金屬絲與電阻絲相交點(diǎn)與C點(diǎn)之間的長(zhǎng)度Htanθ,電阻為R′=
R
L
Htanθ
,
由串聯(lián)電路的分壓規(guī)律可知電壓表示數(shù)  U=
ER′
R
=
E
L
Htanθ
  ②
①②兩式聯(lián)立解得    F=
mgL
EH
U
  ③
(2)由表一中的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出,在球半徑一定的情況下,風(fēng)力大小與風(fēng)速成正比,即F與v成正比.
由表二中的測(cè)量數(shù)據(jù)可知:在風(fēng)速一定的情況下,球半徑增大到原來的二倍,電壓表示數(shù)減小為原來的
1
4

由③式和球體積公式、密度公式可得 F=
mgL
EH
U=
VρgL
EH
U=
ρgL
EH
?
4
3
πr3U

綜合考慮可得在風(fēng)速一定的情況下,風(fēng)力大小與球半徑的關(guān)系是:F與r成正比.
(3)根據(jù)上述兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,風(fēng)力大小與風(fēng)速成正比,與球半徑成正比,風(fēng)力的大小F與風(fēng)速大小v、球半徑r的關(guān)系式可以寫為F=kvr,式中k為常數(shù).  
故答案為:
(1)F=
mgL
EH
U

(2)風(fēng)力大小與風(fēng)速成正比
(3)F=kvr,式中k為常數(shù).
點(diǎn)評(píng):本題考查了學(xué)生分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論的能力、對(duì)控制變量法的理解和應(yīng)用,相對(duì)來說對(duì)學(xué)生的要求較高,難度較大.
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