题目
某项目化学习小组设计一个用于监测CO浓度的安全断路器，当装置监测到CO的浓度超过设定值时，安全断路器就会自动拉开闸刀开关，切断电路，保证安全。设计思路：如图甲，装置由控制电路部分（含电源、气敏电阻R0、调试电阻R、电磁铁E等）与机械传动部分（含闸刀开关S2、轻质杠杆AB、配重C、铁块D、滑轮等）组成。工作原理是当控制电路中的电流超过设定值时，铁块D被电磁铁E吸起，杠杆AB偏转，带动细绳拉开闸刀开关，自动切断电路。小组同学根据产品特点，设计了如下的评价表（节选）。 评价指标 优秀 合格 待改进 指标一 能快速切断电路，安全可靠 能切断电路 不能切断电路 指标二 有调节结构，调节方便 有调节结构，调节不便 无调节结构，不能调节 控制电路部分 ↑CO浓度(毫克/米^3)-|||-U-|||-A-|||-|S2 R P 气敏 36-|||-Q E S Rn 电阻-|||-square 24-|||-开关 square C square | D 气 敏电阻-|||-支架 0 B 支架 12-|||-A-|||-机械传动部分 0 10 20 30 R0电阻/Ω-|||-甲 乙（1）【方案论证】机械传动装置中，杠杆B端置于水平台面上，使杠杆可以绕支点O逆时针转动。小组同学在设计杠杆支点时，有以下方案：方案一AO：OB=3：1；方案二AO：OB=1：2；方案三AO：OB=1：1。针对评价表，要达到优秀，应采用方案一，从杠杆角度分析其原因是 ____ 。（2）【装置测试】小组同学采用方案一进行测试，将0.21千克的铁块D固定在杠杆B端支架上，让杠杆处于水平，电磁铁E移至D的正上方，E对D的吸引力F0与通过控制电路电流1的关系如表，气敏电阻R0的阻值与CO气体浓度的关系如图乙。已知电源电压U为9伏，调试电阻R最大阻值为20欧，滑片P移到中点，闸刀开关刚好被拉开时所需的力F1为0.4牛。若设定CO气体浓度为24毫克/米3时，开关拉开，则需取多大质量的配重C固定在A端支架上才符合设计要求。（电磁铁的电阻和杠杆自重均忽略不计） 电流I（安） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 吸引力F0（牛） 0 1.2 2.4 3.6 4.8 （3）【迭代升级】如果CO气体浓度在20毫克/米3就要将闸刀开关拉开，以下调整可以实现的有 ____ 。（可多选）A.支点O向左移到适当位置B.增加A、C间支架的高度C.铁块D换为等质量的铜块D.适当提高电源电压E.适当增加电磁铁的线圈匝数F.调试电阻滑片P向上移到适当位置
某项目化学习小组设计一个用于监测CO浓度的安全断路器，当装置监测到CO的浓度超过设定值时，安全断路器就会自动拉开闸刀开关，切断电路，保证安全。设计思路：如图甲，装置由控制电路部分（含电源、气敏电阻R0、调试电阻R、电磁铁E等）与机械传动部分（含闸刀开关S2、轻质杠杆AB、配重C、铁块D、滑轮等）组成。工作原理是当控制电路中的电流超过设定值时，铁块D被电磁铁E吸起，杠杆AB偏转，带动细绳拉开闸刀开关，自动切断电路。
小组同学根据产品特点，设计了如下的评价表（节选）。
（1）【方案论证】机械传动装置中，杠杆B端置于水平台面上，使杠杆可以绕支点O逆时针转动。小组同学在设计杠杆支点时，有以下方案：方案一AO：OB=3：1；方案二AO：OB=1：2；方案三AO：OB=1：1。针对评价表，要达到优秀，应采用方案一，从杠杆角度分析其原因是 ____ 。
（2）【装置测试】小组同学采用方案一进行测试，将0.21千克的铁块D固定在杠杆B端支架上，让杠杆处于水平，电磁铁E移至D的正上方，E对D的吸引力F0与通过控制电路电流1的关系如表，气敏电阻R0的阻值与CO气体浓度的关系如图乙。已知电源电压U为9伏，调试电阻R最大阻值为20欧，滑片P移到中点，闸刀开关刚好被拉开时所需的力F1为0.4牛。若设定CO气体浓度为24毫克/米3时，开关拉开，则需取多大质量的配重C固定在A端支架上才符合设计要求。（电磁铁的电阻和杠杆自重均忽略不计）
（3）【迭代升级】如果CO气体浓度在20毫克/米3就要将闸刀开关拉开，以下调整可以实现的有 ____ 。（可多选）
A.支点O向左移到适当位置
B.增加A、C间支架的高度
C.铁块D换为等质量的铜块
D.适当提高电源电压
E.适当增加电磁铁的线圈匝数
F.调试电阻滑片P向上移到适当位置
小组同学根据产品特点，设计了如下的评价表（节选）。
| 评价指标 | 优秀 | 合格 | 待改进 |
| 指标一 | 能快速切断电路，安全可靠 | 能切断电路 | 不能切断电路 |
| 指标二 | 有调节结构，调节方便 | 有调节结构，调节不便 | 无调节结构，不能调节 |
（1）【方案论证】机械传动装置中，杠杆B端置于水平台面上，使杠杆可以绕支点O逆时针转动。小组同学在设计杠杆支点时，有以下方案：方案一AO：OB=3：1；方案二AO：OB=1：2；方案三AO：OB=1：1。针对评价表，要达到优秀，应采用方案一，从杠杆角度分析其原因是 ____ 。
（2）【装置测试】小组同学采用方案一进行测试，将0.21千克的铁块D固定在杠杆B端支架上，让杠杆处于水平，电磁铁E移至D的正上方，E对D的吸引力F0与通过控制电路电流1的关系如表，气敏电阻R0的阻值与CO气体浓度的关系如图乙。已知电源电压U为9伏，调试电阻R最大阻值为20欧，滑片P移到中点，闸刀开关刚好被拉开时所需的力F1为0.4牛。若设定CO气体浓度为24毫克/米3时，开关拉开，则需取多大质量的配重C固定在A端支架上才符合设计要求。（电磁铁的电阻和杠杆自重均忽略不计）
| 电流I（安） | 0 | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 |
| 吸引力F0（牛） | 0 | 1.2 | 2.4 | 3.6 | 4.8 |
A.支点O向左移到适当位置
B.增加A、C间支架的高度
C.铁块D换为等质量的铜块
D.适当提高电源电压
E.适当增加电磁铁的线圈匝数
F.调试电阻滑片P向上移到适当位置
题目解答
答案
解：（1）由图知B点为动力作用点，根据杠杆平衡条件知，动力臂越小，越省距离，本题中越能快速切断电路，故应采用方案二，理由：动力臂小于阻力臂，更省距离，在铁块D移动距离一定时，A端移动距离更大，更便于快速切断电路。
（2）由图乙知，当CO气体浓度为24毫克/米3时，R0=10Ω，滑片P移到中点，RP=$\frac{20Ω}{2}$=10Ω，电路总电阻R=R0+RP=10Ω+10Ω=20Ω；
电路电流I=$\frac{U}{R}=\frac{9V}{20Ω}$=0.45A，
由表格数据知吸引力与电流的比值为定值6，两者成正比关系，
故吸引力与电流的关系为：F0=6（N/A）×I
当I=0.45A时，吸引力F0=6N/A×0.45A=2.7N，
B点受到向上的拉力FB=F0-mDg=2.7N-0.21kg×10N/kg=0.6N，
已知方案一AO：OB=3：1；由杠杆平衡条件知：A点受到的C给的向上的拉力FA=$\frac{1}{3}$FB=$\frac{1}{3}$×0.6N=0.2N，由力的作用是相互的知，配重C受到A点给的向下的拉力也为0.2N，
已知闸刀开关刚好被拉开时所需的力F1为0.4牛，故当配重C的重力与受到A的拉力之和至少为0.4N时，才能够使闸刀被拉开，
当配重C质量最小时，有GC=mCg=F1-FA，
mC×10N/kg=0.4N-0.2N，
解得：mC=0.02kg。
故需取0.02kg的配重C固定在A端支架上才符合设计要求。
（3）由图乙知CO气体浓度在20毫克/米3时，R0大于10Ω，电路电流减小，电磁铁磁性减弱，要使闸刀开关能够拉开，
A.如果产生的磁力不能吸起铁块D，仅将支点O向左移动，不能使A点向下拉动闸刀开关的，故A错误；
B.如果产生的磁力不能吸起铁块D，增加A、C间支架的高度，不能使A点向下拉动闸刀开关的，故B错误；
C.铁块D换为等质量的铜块，电磁铁不能吸引铜块，不能使A点向下拉动闸刀开关的，故C错误；
D.适当提高电源电压，电源电压增大，电路电流增加，会使电磁铁磁性增强，可以实现使A点向下拉动闸刀开关的，故D正确；
E.适当增加电磁铁的线圈匝数，会使电磁铁磁性增强，可以实现使A点向下拉动闸刀开关的，故正确；
F.调试电阻滑片P向上移到适当位置，滑动变阻器连入电路的阻值变小，电路电流变大，会使电磁铁磁性增强，可以实现使A点向下拉动闸刀开关的，故F正确；
故选：DEF。
故答案为：（1）动力臂小于阻力臂，更省距离，在铁块D移动距离一定时，A端移动距离更大，更便于快速切断电路；（2）需取0.02kg的配重C固定在A端支架上才符合设计要求；（3）DEF。
（2）由图乙知，当CO气体浓度为24毫克/米3时，R0=10Ω，滑片P移到中点，RP=$\frac{20Ω}{2}$=10Ω，电路总电阻R=R0+RP=10Ω+10Ω=20Ω；
电路电流I=$\frac{U}{R}=\frac{9V}{20Ω}$=0.45A，
由表格数据知吸引力与电流的比值为定值6，两者成正比关系，
故吸引力与电流的关系为：F0=6（N/A）×I
当I=0.45A时，吸引力F0=6N/A×0.45A=2.7N，
B点受到向上的拉力FB=F0-mDg=2.7N-0.21kg×10N/kg=0.6N，
已知方案一AO：OB=3：1；由杠杆平衡条件知：A点受到的C给的向上的拉力FA=$\frac{1}{3}$FB=$\frac{1}{3}$×0.6N=0.2N，由力的作用是相互的知，配重C受到A点给的向下的拉力也为0.2N，
已知闸刀开关刚好被拉开时所需的力F1为0.4牛，故当配重C的重力与受到A的拉力之和至少为0.4N时，才能够使闸刀被拉开，
当配重C质量最小时，有GC=mCg=F1-FA，
mC×10N/kg=0.4N-0.2N，
解得：mC=0.02kg。
故需取0.02kg的配重C固定在A端支架上才符合设计要求。
（3）由图乙知CO气体浓度在20毫克/米3时，R0大于10Ω，电路电流减小，电磁铁磁性减弱，要使闸刀开关能够拉开，
A.如果产生的磁力不能吸起铁块D，仅将支点O向左移动，不能使A点向下拉动闸刀开关的，故A错误；
B.如果产生的磁力不能吸起铁块D，增加A、C间支架的高度，不能使A点向下拉动闸刀开关的，故B错误；
C.铁块D换为等质量的铜块，电磁铁不能吸引铜块，不能使A点向下拉动闸刀开关的，故C错误；
D.适当提高电源电压，电源电压增大，电路电流增加，会使电磁铁磁性增强，可以实现使A点向下拉动闸刀开关的，故D正确；
E.适当增加电磁铁的线圈匝数，会使电磁铁磁性增强，可以实现使A点向下拉动闸刀开关的，故正确；
F.调试电阻滑片P向上移到适当位置，滑动变阻器连入电路的阻值变小，电路电流变大，会使电磁铁磁性增强，可以实现使A点向下拉动闸刀开关的，故F正确；
故选：DEF。
故答案为：（1）动力臂小于阻力臂，更省距离，在铁块D移动距离一定时，A端移动距离更大，更便于快速切断电路；（2）需取0.02kg的配重C固定在A端支架上才符合设计要求；（3）DEF。