五、综合开放题（每空 2 分，共 14 分）
21. 风车是利用风力做功的装置。小明制作了一架小风车，风车转起来时，回形针能被提到一定高度。他想粗略测量风车在一定风速下做功的功率，实验装置如题 21 图所示。

(1)观察实验装置可知，小明是通过测量细线对做功的功率来测量风车做功的功率的。这里采用了(填一种科学研究方法)法。
(2)除了图中的实验器材，必需的测量工具还有：天平、和。
（3）请设计一个便于操作的测量对回形针拉力的方案：。
(4)若测得回形针匀速上升的高度 $ h $、所用的时间 $ t $、回形针的总质量 $ m $、物体所受重力与质量之比 $ g $，则风车做功的功率 $ P = $。
(5)实验过程中，风车转轴处总会有摩擦，这会使测得的风车功率与实际相比偏(大/小)。

回形针
转换
刻度尺
秒表或停表
将回形针挂在弹簧
测力计下，当回形针静止时，弹簧测力计的示数等于细线对回形针的拉力或用天平测出回形针的总质量 m ，则拉力 F=mg
$ \frac{mgh}{t} $
小

【解析】
(1) 风车做功使回形针上升，因此通过测量细线对回形针做功的功率来间接测量风车做功的功率，将不易直接测量的风车做功功率转换为容易测量的对回形针做功的功率，采用了转换法。
(2) 功率的计算公式为 $ P=\frac{W}{t} $，其中 $ W=Gh=mgh $，因此需要用刻度尺测量回形针上升的高度 $ h $，用秒表（或停表）测量回形针上升所用的时间 $ t $。
(3) 测量拉力的方案：方案一，将回形针挂在弹簧测力计下，当回形针静止时，弹簧测力计的示数等于细线对回形针的拉力；方案二，用天平测出回形针的总质量 $ m $，根据 $ F=mg $ 计算出拉力。
(4) 回形针克服重力做功 $ W=mgh $，则风车做功的功率 $ P=\frac{W}{t}=\frac{mgh}{t} $。
(5) 风车转轴处有摩擦，风车做的功一部分用于克服摩擦做功，因此测得的对回形针做的功小于风车实际做的功，故测得的功率比实际偏小。
【答案】
(1) 回形针；转换
(2) 刻度尺；秒表（或停表）
(3) 将回形针挂在弹簧测力计下，当回形针静止时，弹簧测力计的示数等于细线对回形针的拉力（或用天平测出回形针的总质量 $ m $，则拉力 $ F=mg $）
(4) $ \boldsymbol{\frac{mgh}{t}} $
(5) 小
【知识点】
功率的测量；转换法；功的计算
【点评】
本题通过风车做功实验考查功率的测量，重点考查转换法的应用以及功率公式的推导与应用，需结合实验原理分析测量工具和实验方案，理解摩擦对实验结果的影响。
【难度系数】
0.6