Question

12．小明家新買了一臺多功能LED臺燈，其結(jié)構(gòu)如圖甲所示．S₁是控制LED燈的開關(guān)，USB接口可以給手機(jī)充電．小明發(fā)現(xiàn)即使S₁斷開，USB接口也能正常使用．安全開關(guān)S₂位于臺燈底部的前端，當(dāng)臺燈傾斜，S₂離開桌面時(shí)，它會自動(dòng)斷開，切斷臺燈的電源．
（1）根據(jù)以上信息，請用筆畫線代替導(dǎo)線，將圖乙中的電路元件接入電路．
（2）曉明對開關(guān)S₂很感興趣，并開始研究其功能．它將臺燈點(diǎn)亮，并保持支架和燈頭的夾角不變，試著向后調(diào)整支架的位置，當(dāng)達(dá)到圖丙所示的位置時(shí)，臺燈雖未傾倒但底座前端剛好翹起，此時(shí)S₂斷開，臺燈熄火．如果把臺燈看做是杠桿，此時(shí)恰好平衡，則動(dòng)力臂大于（填“大于”、“等于”或“小于”）阻力臂．
接下來，小明向固定在底座上的筆筒中放入一支鉛筆，這時(shí)臺燈底座重新落回桌面，S₂閉合，臺燈亮起．當(dāng)他再從筆筒中取出這只筆時(shí)，臺燈底座前端翹起，再次熄滅．

（3）小明設(shè)想：如果利用安全開關(guān)S₂，制作一個(gè)在手機(jī)充電時(shí)可以自動(dòng)斷電的控制裝置，這樣就可以避免因夜間手機(jī)充電時(shí)間過長而帶來的安全隱患．
經(jīng)過思考小明只借助了濕巾和少量的水，結(jié)合學(xué)過的蒸發(fā)知識便設(shè)計(jì)出了一個(gè)簡易的裝置．以下是小明給的設(shè)計(jì)方案，請將其補(bǔ)充完整．
①抽取一張濕巾放進(jìn)空筆筒中，并把手機(jī)數(shù)據(jù)線插入臺燈底座的USB接口，手機(jī)開始充電．
②慢慢向后調(diào)節(jié)支架，同時(shí)觀察手機(jī)充電的情況，直至手機(jī)剛好停止充電．
③保持支架和燈頭的位置不變，向筆筒中的濕巾倒入適量的水，臺燈平衡，使開關(guān)S₂閉合．
④一段時(shí)間后，臺燈底座前端自動(dòng)翹起，開關(guān)S₂切斷電路．在不改變支架和燈頭位置的前提下，若要縮短充電時(shí)間，可采用的方法是減少筆筒中水的質(zhì)量．

Answer 1

分析 （1）串聯(lián)電路各用電器相互影響，并聯(lián)電路各支路間互不影響，開關(guān)與被控制元件串聯(lián)．由此分析判斷燈與USB接口的連接方式、兩開關(guān)的作用，畫出電路圖；
（2）力臂是支點(diǎn)到力的作用線的距離，由圖丙可知兩力臂長比較即可；
（3）利用杠桿的平衡條件，當(dāng)充電時(shí)間與濕巾中水的蒸發(fā)的時(shí)間相同時(shí)，臺燈恰好傾斜，S₂斷開自動(dòng)斷開電源設(shè)計(jì)．

解答 解：
（1）S₁是控制LED燈的開關(guān)所以S₁與IED燈串聯(lián)；S₁斷開，USB接口也能正常使用，說明LED燈與USB接口并聯(lián)；S₂斷開，切斷臺燈的電源，所以S₂在干路上，由此連接電路如圖所示：

（2）由圖丙知，支點(diǎn)在O處，作出動(dòng)力G₁和阻力G₂的力臂，如圖所示：

由圖知，動(dòng)力臂大于阻力臂；
（3）將筆筒中放入紙巾，加入適量水，放在底座上，當(dāng)水蒸發(fā)后，其重力減小，根據(jù)杠桿的平衡條件，當(dāng)動(dòng)力與動(dòng)力臂的乘積大于阻力與阻力臂的乘積時(shí)杠桿失去平衡，如果充電時(shí)間與水蒸發(fā)時(shí)間相同時(shí)，底座前端剛好翹起，此時(shí)S₂斷開，切斷臺燈的電源．若筆筒中水的質(zhì)量越少，水蒸發(fā)時(shí)間短，臺燈失去平衡的時(shí)間越短，即充電時(shí)間越短．
設(shè)計(jì)方案：
①抽取一張濕巾放進(jìn)空筆筒中，并把手機(jī)數(shù)據(jù)線插入臺燈底座的USB接口，手機(jī)開始充電．
②慢慢向后調(diào)節(jié)支架，同時(shí)觀察手機(jī)充電的情況，直至手機(jī)剛好停止充電．
③保持支架和燈頭的位置不變，向筆筒中的濕巾倒入適量的水，臺燈平衡，使開關(guān)S₂閉合．
④一段時(shí)間后，臺燈底座前端自動(dòng)翹起，開關(guān)S₂切斷電路．在不改變支架和燈頭位置的前提下，若要縮短充電時(shí)間，可采用的方法是：減少筆筒中水的質(zhì)量．
故答案為：（1）見上圖；（2）大于；（3）②停止充電；③向筆筒中的濕巾倒入適量的水，臺燈平衡；④減少筆筒中水的質(zhì)量．

點(diǎn)評 本題考查了電路圖設(shè)計(jì)、力臂的認(rèn)識和理解、以及杠桿平衡條件的應(yīng)用，第三問巧妙的利用水的蒸發(fā)與杠桿的平衡條件結(jié)合起來，體現(xiàn)了物理在生活中的實(shí)際應(yīng)用，考查學(xué)生運(yùn)用知識的能力，是一道好題．