21、（2021·湖南衡阳·T27）某兴趣小组为检测操场上的风力等级，设计了一台简易风速仪，其工作原理如图甲所示。装有挡风板和滑片P的轻质滑块与轻质弹簧套在滑杆上，滑杆上的摩擦力忽略不计，弹簧左端固定，右端与滑块相连。挡风板的挡风面积为0.2米，均匀电阻丝长为30厘米，阻值为15欧，电源电压恒为9伏，保护电阻为3欧，电压表量程0~3伏。弹簧弹力与弹簧长度改变量的关系如图乙所示。无风时，滑片P在A处，有风时，滑块移动，稳定后读出电压表示数，计算并查阅下表数据可知风速及风级。

 

风级	一级	二级	三级	四级	五级	六级
风速（米/秒）	0.3~1.5	1.6~3.3	3.4~5.4	5.5~7.9	8.0~10.7	10.8~13.8
风压（帕）	0.055~1.4	1.6~6.8	7.2~18	18.9~39	40~72	729~119

（1）无风时，求通过的电流；
（2）为保护电路安全，求出风速仪所测最大风力等级为几级；
（3）某日从天气预报得知，第二天风力等级将会达到五级，风速预计为，在原有电路元件和电路基本连接方式均不变的基础上，电路将如何改进，在图丙的虚线框内将电路补充完整。小组成员还想计算出电路改进后电压表的示数，经查阅资料后得知，该挡风板所受的风压与风速的平方成正比，其关系式为，（其中为常量，数值为0.6），假设你为改小组成员，请你计算出风速为时，改进后的电路中电压表的示数。

 

21、【答案】（1）；（2）四级；（3）1.5V
【解析】
解：（1）因电压表接在滑片上且电压表在电路中相当于断路，所以，电流要流经全部电阻丝，在滑片P左移的过程中，始终是全部电阻丝与电阻R0串联，所以电路的总电阻不变；无论有无风时，滑动变阻器接入电路的阻值均为，通过的电流

（2）由图可知，风力越大，电压表测量部分电阻越长，电压表示数越大，电压表最大电压；滑动变阻器分到电压

当电压表示数最大时，滑片移动距离

由图乙可得，弹簧产生的弹力，此时的风压

查表可知，此时风力等级为四级。
（3）当风速为时，风压

因此会超过电压表量程，弹簧弹力

由表可得，弹簧形变量为，因此可将电压表测量对象更换为滑片左侧部分的电阻，此时滑片左侧电阻

此时电压表示数

改装电路为 此电路只能在风力稳定时使用。
答：（1）无风时，求通过的电流是；
（2）为保护电路安全，求出风速仪所测最大风力等级为四级；
（3）风速为时，改进后的电路中电压表的示数是1.5V。