Question

某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種測(cè)定風(fēng)力的裝置，其原理如圖所示．迎風(fēng)板與一輕彈簧的一端N相接，穿在光滑的金屬桿上．彈簧是絕緣材料制成的，其勁度系數(shù)k=1300N/m，自然長(zhǎng)度L₀=0.5m，均勻金屬桿用電阻率較大的合金制成，迎風(fēng)板面積S=0.5m²，工作時(shí)總是正對(duì)著風(fēng)吹來的方向．電路中左端導(dǎo)線與金屬桿M端相連，右端導(dǎo)線接在N點(diǎn)并可隨迎風(fēng)板在金屬桿上無摩擦滑動(dòng)，且與金屬桿接觸良好．限流電阻的阻值R=1Ω，電源的電動(dòng)勢(shì)E=12V，內(nèi)阻r=0.5Ω．合上開關(guān)，沒有風(fēng)吹時(shí)，彈簧處于原長(zhǎng)，電壓表的示數(shù)U₁=3.0V；如果某時(shí)刻由于風(fēng)吹使迎風(fēng)板向左壓縮彈簧，電壓表的示數(shù)變?yōu)閁₂=2.0V，求：
（1）金屬桿單位長(zhǎng)度的電阻；
（2）此時(shí)作用在迎風(fēng)板上的風(fēng)力；
（3）若風(fēng)（運(yùn)動(dòng)的空氣）與迎風(fēng)板作用后速度變?yōu)榱�，已知裝置所在處的空氣密度為1.3kg/m³，求風(fēng)速為多大？

Answer 1

（1）無風(fēng)時(shí)，金屬桿電阻R_L

RL

RL+R+r

=

3

12

    R_L=0.5Ω
單位長(zhǎng)度電阻  r₀=

RL

L

=

0.5

0.5

=1Ω/m
（2）有風(fēng)時(shí)  U₂=

R2

R2+R+r

E
R₂=0.3Ω
此時(shí)彈簧長(zhǎng)度L=

R2

r

=

0.3

1

=0.3m
x=L₀-L=0.5-0.3=0.2m
由平衡，此時(shí)風(fēng)力：F=kx=1300×0.2=260N
（3）根據(jù)動(dòng)量定理，有：
F△t=ρs（v△t）v
解得：v=

F ρS

=

260 1.3×0.5

=20m/s
答：（1）金屬桿單位長(zhǎng)度的電阻為1Ω/m；
（2）此時(shí)作用在迎風(fēng)板上的風(fēng)力為260N；
（3）風(fēng)速為20m/s．