Question

15．某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图所示．测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体质量成正比的输出电压U₀．现有下列器材：力电转换器、质量为m₀的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）
请完成对该物体质量的测量．
（l）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图．
（2）以下为简要的测量步骤，请将不完整处补充完整：
A．调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；
B．将砝码放在转换器上，记下输出电压U₀；
C．将待测物放在转换器上，记下输出电压U₁；
（3）根据以上测量，可求出：比例系数k=$\frac{{U}_{0}}{{m}_{0}g}$，待测物体的质量m=$\frac{{m}_{0}{U}_{1}}{{U}_{0}}$．
（4）请设想实验中可能会出现的一个问题：因电源电压不够而输出电压调不到零．

Answer 1

分析 （1）根据题意确定输入端电路，在输出端接测量输出电压的电压表．
（2）先调节输入电压，使输出电压为零，然后测量物体质量；
（3）根据测量数据求出系数k．
（4）从电源电压与量程等角度分析可能出现的问题．

解答 解：（1）根据“可测得与物体的质量成正比的输出电压U”可知：输出端应接电压表．又根据“为了使输入电路的电压调节范围尽可能大”可知：必须用滑动变阻器在输入端组成分压电路．设计的电路如图所示．

（2）测量步骤与结果：
①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；
②将质量为m₀的砝码放在转换器上，记下输出电压U₀；
③将待测物放在转换器上，记下输出电压U₁，则
 U₀=km₀g，U=kmg
（3）根据以上测量，可得：k=$\frac{{U}_{0}}{{m}_{0}g}$，所以m=$\frac{{m}_{0}{U}_{1}}{{U}_{0}}$
（4）该实验中可能会出现的问题有：①因电源电压不够而输出电压调不到零；②待测物体的质量超出转换器量程．
故答案为：（1）设计的电路图如图所示；
（2）砝码；
（3）$\frac{{U}_{0}}{{m}_{0}g}$，$\frac{{m}_{0}{U}_{1}}{{U}_{0}}$
（4）①因电源电压不够而输出电压调不到零；②待测物体质量超出转换器量程．（两个选一个就可以）

点评 这是一道设计型实验题，属开放型试题中重要的一种．力电转换器是学生没有用过的新仪器，能不能在试题所提供的各种信息中抓住最关键的有用信息，对学生的处理信息、电路设计和实验创新能力提出了较高要求．