典型家庭電路知識競賽試題的歸類分析與解答

摘要：本文就家庭電路故障判斷分析；三孔插座、保險絲、單刀雙擲開關(guān)的安全使用；“電力增容”情況下導(dǎo)線的選擇；家電的購買不光要考慮省電，更要注重節(jié)能；如何用旋轉(zhuǎn)開關(guān)實(shí)現(xiàn)家用電器多檔位工作；燈絲搭接前后功率大小比較等方面對競賽類試題作一歸類分析。

關(guān)鍵詞：典型；競賽試題；歸類分析解答

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148(2008)12(S)-0044-4

家庭電路知識是非常實(shí)用的物理知識，近些年來的全國初中應(yīng)用物理知識競賽中多次涉及到這方面的試題，下面從中選取一些試題加以分析解答。

例1 (1992年全國初中應(yīng)用物理知識競賽選擇題第3題)白熾燈絲斷了之后，如果再搭上，還會發(fā)光，這時的耗電功率與原來相比( )

A.增加。B.減少。C.不變。

解析 白熾燈燈絲斷了之后，再搭上，燈絲的長度比原來減小，在相同溫度條件下，材料和橫截面積不變時，燈絲的電阻跟長度成正比，燈絲長度變短，燈線的電阻減小，但任何情況下燈絲兩端電壓并未改變。根據(jù)公式P=U2R 可知，這時耗電功率和原來相比會增加，選取A。

例2 (1996年全國初中物理競賽選擇題第11題)物理小組的同學(xué)們練習(xí)安裝照明電路。接通電源之前，老師將火線上的保險絲取下，把一個額定電壓為220V的燈泡連接在原來安裝保險絲的位置，同時要求將電路中所有開關(guān)都斷開。用這種方法可以檢驗電路中是否有短路。在接通電源后，下列說法中正確的是( )

A.若檢驗燈泡正常發(fā)光，表明電路連接無誤。

B.若檢驗燈泡不亮，但將某一個用電器的開關(guān)閉合后檢驗燈泡正常發(fā)光，表明這個開關(guān)的兩端直接連到了火線和零線上。

C.檢驗燈泡不亮，但將某一個電燈的開關(guān)閉合后，這個電燈和檢驗燈泡都能發(fā)光，只是亮度都不夠，這表明電路中出現(xiàn)了短路現(xiàn)象。

D.不論將電路中用電器的開關(guān)斷開還是閉合，檢驗燈泡均不發(fā)光，這表明電路中有短路。

解析 把檢驗燈泡連接在原安裝保險絲的位置可檢查電路中是否有短路。為便于分析，擬畫出相應(yīng)的電路圖，根據(jù)電路連接情況，對題中的四種說法是否正確分析如下：

A.若檢驗燈泡正常發(fā)光，表明電路連接無誤的說法是錯誤的。因檢驗燈泡是串聯(lián)在電路的火線上，它能正常發(fā)光，說明其它用電器不能分壓。因此可以肯定這個電路中的其它部分有短路現(xiàn)象，可見A的說法是錯誤的。

B.該說法中，開關(guān)斷開時，電路中沒有電流，檢驗燈泡不亮；閉合某一開關(guān)，檢驗燈泡正常發(fā)光，表明是這個開關(guān)造成了短路，因而B說法是正確的。

C.檢驗燈泡不亮，但將某一個電燈的開關(guān)閉合后，這個電燈和檢驗燈泡都發(fā)光，只是亮度不夠，這表明電路中出現(xiàn)了短路的現(xiàn)象的說法是錯的。因為檢驗燈泡與這個電燈是串聯(lián)，所以兩個燈泡都要分壓，都達(dá)不到額定電壓，因而亮度不夠，表明電路不但不短路，而且沒有問題。故C說法錯誤。

D.不論將電路中用電器的開關(guān)斷開還是閉合，檢驗燈泡均不發(fā)光，表明電路中有短路的說法是錯的。應(yīng)該說表明電路中有斷路，而不是短路，因而D說法是錯誤的。

綜合以上分析，本題正確答案應(yīng)選B。

例3 (1997年全國初中物理知識競賽選擇題第1題)家庭電路中的保險絲燒斷了，下列說法中正確的是( )

A.用銅絲代替。

B.為了保險，選擇盡量粗的保險絲代換。

C.選擇額定電流稍小于電路中最大正常工作電流的保險絲代換。

D.選擇額定電流等于或稍大于電路中最大正常工作電流的保險絲代換。

解析 A.用銅絲代替保險絲，因為銅的熔點(diǎn)高，在電流過強(qiáng)時它還不會熔斷，起不到保險作用，故答案A錯誤。

B.盡量粗的保險絲額定電流過大，電流過強(qiáng)時它不熔斷，就失去了保險作用。故B說法錯誤。

C.選用保險絲額定電流過小，在正常供電情況下保險絲也會熔斷，會造成停電事故。故C說法錯誤。

D.家庭電路中保險絲斷了，正確的選擇方法是保險絲的額定電流等于或稍大于電路中最大正常工作電流，因而D說法是正確的。故正確答案為D。

例4 (2001年全國初中應(yīng)用物理知識競賽試題選擇題第4題)小剛家中的幾盞電燈突然全部熄滅了，檢查保險絲并未燒斷，用測電筆測試各處電路時，氖管都發(fā)光，他對故障作了下列四種判斷，其中正確的是( )

A.燈泡全都燒壞。

B.進(jìn)戶零線斷路。

C.室內(nèi)線路發(fā)生短路。

D.進(jìn)戶火線斷路。

解析 小剛家中的幾盞電燈突然全部熄滅，可能原因有：(1)所有電燈兩端的電壓突然升高很多，使每盞電燈都在遠(yuǎn)高于其額定電壓的條件下工作。雖然每盞燈兩端電壓偏高，但小剛家電燈供電的線路還是原線路，并未接到供它較高電壓的供電線路上，電燈兩端電壓并未發(fā)生改變，因而燈泡全部燒壞是不可能的，故答案A是不正確的。

可能原因(2)：室內(nèi)線路發(fā)生短路；經(jīng)檢查保險絲發(fā)現(xiàn)并未燒斷，說明室內(nèi)線路未發(fā)生短路，否則，室內(nèi)線路發(fā)生短路時，線路中將會產(chǎn)生很大的電流，將保險絲熔斷，自動切斷電路，但保險絲是完好的，因而C述情況是不可能的。

可能原因(3)：進(jìn)戶線路斷路，無論是進(jìn)戶火線斷路，還是進(jìn)戶零線斷路，幾盞電燈都會全部熄滅，但用測電筆測試各處電路時，氖管都發(fā)光，表明進(jìn)戶火線和火線相連的電燈及導(dǎo)線并未斷路，斷路只能發(fā)生在零線上，因幾盞燈全部熄滅，可斷定斷路位置就在進(jìn)戶零線上，故D述情況是不可能的，而B述情況是可能的，因而本題的正確答案應(yīng)選B。

例5 (2002年全國初中應(yīng)用物理知識競賽試題第二題填空題第2小題)圖2為一個三孔插座，其中有一個插孔的導(dǎo)線是與室外大地相連的，請把這個插孔與圖中代表大地的記號E用線連起來，如果這個插孔的導(dǎo)線斷了，使用這個插座還能使洗衣機(jī)轉(zhuǎn)動，但存在的問題是______。

解析 學(xué)生若不留心，往往不清楚三孔插座的那一個孔與大地連接，在三孔插座中，插孔1是與大地相連的，插孔2、3分別與火線和零線相連，如圖3所示。

這個插孔具有安全保障作用，這個插孔的導(dǎo)線斷了，使用這個插座還能使洗衣機(jī)轉(zhuǎn)動，但是存在的問題是：家用電器的金屬外殼本來是跟火線絕緣的，是不帶電的，人體接觸外殼并沒有危險。但如果內(nèi)部火線絕緣皮破損或失去絕緣性能，致使火線與外殼連通，外殼帶了電，人體接觸外殼等于接觸火線，就會發(fā)生觸電事故。如果把外殼用導(dǎo)線接地，即使外殼帶了電，也會從接地導(dǎo)線流走，人體接觸外殼就沒有危險了。

例6 (2004年全國初中應(yīng)用物理知識競賽試題第一大題第4小題)圖4給出了小明設(shè)計的樓梯照明電燈的四種控制電路，其中S1、S2分別為樓上和樓下的開關(guān)(都是單刀雙擲開關(guān))，要求撥動其中任一開關(guān)，都能改變電燈原來發(fā)光或熄滅的狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中最好的方案是( )

解析 為便于說明，在開關(guān)S1，S2的接觸端分別標(biāo)上數(shù)字1、1′，2、2′(見A、B、C、D四圖)。

A方案 電燈一端與零線連接，另一端接在開關(guān)S2的轉(zhuǎn)軸上，開關(guān)斷開時電燈雖與零線接通，但與火線切斷，利于安全用電。S1接1端，S2接1′端，電燈亮；S1接2端，S2接2′端電燈亮；S1接1端，S2接2′端電燈滅；S1接2端S2接1′端電燈滅。該方案既符合安全用電要求，又能改變電燈原來發(fā)光或熄滅狀態(tài)。

B方案 電燈一端與火線連接，另—端接在開關(guān)S2的轉(zhuǎn)軸上，即使開關(guān)斷開，電燈也不能與火線切斷，不利于安全用電。S1接1端，S2接1′端與S1接2端，S2接2′端，電燈亮；S1接2端，S2接1′端(S1接1端，S2接2′端)燈滅。該方案雖能改變電燈原來發(fā)光或熄滅狀態(tài)，但電路連接不符合安全用電中開關(guān)與火線連接的要求。

C方案 電燈的兩端分別與開關(guān)S1，S2的接觸端1、1′連接，開關(guān)S1的轉(zhuǎn)軸與火線相連，開關(guān)S2的轉(zhuǎn)軸與零線相連，S1接1端，S2接1′端，電燈亮；S1接2端，S2接2′端，發(fā)生短路；S1接1端，S2接2′端電燈滅；S1接2端，S2接1′端電燈滅。可見方案3中開關(guān)的使用情況中有造成短路的情況，不利于安全用電。

D方案 電燈一端與零線連接，另一端與S2的接觸端2′相連，開關(guān)S1與S2的轉(zhuǎn)軸相連，開關(guān)S1的接觸端1與火線相連，當(dāng)S1接1端，S2接2′端電燈亮，當(dāng)S1接1′端，S2接2′端燈滅，S1接1端，S2接2端燈滅，該方案只有S1接1，S2接2′的情況下燈才亮，即樓上樓下開關(guān)都與左邊接觸點(diǎn)接觸燈才亮，對電燈的控制極不方便。

綜合以上分析，在實(shí)際應(yīng)用中最好的方案應(yīng)該是A。

例7 (2007年全國初中應(yīng)用物理知識競賽試題第三大題第2小題)小明要買一個電爐用來燒開水，他到商店去購買時看到有800W和1200W兩種規(guī)格，他想：800W的功率小，比較省電，打算買800W的。如果從節(jié)能的角度考慮，你認(rèn)為這種想法合理嗎?為什么?

解析 使用電爐，消耗的是電能，是否省電，不能只看電功率的大小。假使不考慮熱量散失和其它能量損失，將同樣的一壺水從20℃加熱到100℃需要吸收的熱量是相同的，消耗的電能也是相同的，只是用800W電爐加熱的時間比用1200W的時間更長些。實(shí)際上用電爐給水壺加熱的同時，也在散熱，由于使用800W電爐加熱的時間更長，散失的熱量也就更多，所以要同樣加熱到100℃，所需的電能也會更多，故小明的想法是不合理的。所以，在用戶電度表和電路允許承受的范圍內(nèi)，購買電功率大一些的電爐更為合算。

例8 (2007年全國初中應(yīng)用物理知識競賽試題七題)某院內(nèi)有甲、乙兩戶居民，院內(nèi)原先供電線路用的是橫截面積為2．5mm2的鋁芯橡皮絕緣線，從進(jìn)院后的接線端經(jīng)25m先到達(dá)甲戶，再從甲戶經(jīng)25m到達(dá)乙戶。每戶總用電額定功率均為2kW。為了增加用戶的最大安全用電功率，現(xiàn)在要進(jìn)行“電力增容”，使每戶總用電額定電功率均增加到4kW。增容后保持院內(nèi)線路分布情況不變，只是供電線路改用銅芯橡皮絕緣線。下表列出了不同橫截面積的銅導(dǎo)線在常溫下的安全載流量(即長時間通電時的最大安全電流)。

導(dǎo)線橫截面積S/mm2銅芯橡皮絕緣線安全載流量I/A

2.528

437

647

1068

假使兩戶所有用電器均為純電阻電器，各用電器的額定電壓都是220V，用戶室內(nèi)電線的電阻忽略不計。而且設(shè)進(jìn)院后的接線端的電壓總 保持220V，試回答下列問題：

1、畫出院內(nèi)的供電電路圖。

2、通過計算說明，在實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的前提下，為了“電力增容”，院內(nèi)的供電線路應(yīng)選用哪一種銅導(dǎo)線?

3、若選用的銅導(dǎo)線每米電阻為4.25×10-3Ω，那么增容后，在甲、乙兩用戶都同時使用“220V 4kW”的電器時，乙戶所得到的實(shí)際功率是多少？

解析 （1）圖5為供電和用電的電路圖。

（2）兩用戶都用電時，線路中的總電流最大為I總=P總U=4kW×2220V

=36.4A。

查表可知，應(yīng)選用橫截面積為4mm2的銅芯橡皮絕緣線。

（3）每50m長的銅導(dǎo)線的電阻為

R=4.25×10-3×50=0.21Ω。

每個用戶用電器的總等效電阻為

R甲=R乙=U2P甲=U2P乙

=22024 000=12.1Ω。

全院的總等效電阻為

R總=2r+R甲（R乙+2r)R甲+R乙+2r

=6.3Ω。

干路電流為：

I總′=UR總=2206.3

=34.9A。

甲用戶兩端的電壓為

U甲=U-I總′R

=220-34.9×0.21

=212V。

乙用戶兩端的電壓為

U乙=U甲R乙+R×R乙

=21212.1+0.21=208V。

乙用戶消耗的功率為：

P乙=U乙2R乙=208212.1

=3.58×103W。

例9 (2008年全國初中應(yīng)用物理知識競賽試題第五題)如圖6所示是一個電熱器的工作原理圖，電熱器內(nèi)有兩個阻值分別為R1=60Ω和R2=120Ω的電熱絲；旋轉(zhuǎn)開關(guān)內(nèi)有一塊絕緣圓盤，在圓盤的邊緣依次有0、1、2…9共10個金屬觸點(diǎn)；可以繞中心軸轉(zhuǎn)動的開關(guān)旋鈕兩端各有一個金屬滑片，轉(zhuǎn)動開關(guān)旋鈕可以將相鄰的觸點(diǎn)連接。如旋鈕上的箭頭指向圖中位置D時，金屬滑片將2、3觸點(diǎn)接通，同時另一端將7、8觸點(diǎn)接通。用這個旋轉(zhuǎn)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)電熱器有多擋位工作的要求。請回答：

(1)這個電熱器可有幾個不同加熱擋位?并指出每個加熱擋位旋轉(zhuǎn)開關(guān)的箭頭指向的位置；

(2)將此電熱器接入家庭電路中，電熱器在正常工作時每個擋位的功率各是多大。

解析 (1)有五個擋位；

A擋：當(dāng)旋鈕上的箭頭指向圖中位置A或F時；

B擋：當(dāng)旋鈕上的箭頭指向圖中位置B或G時；

C擋：當(dāng)旋鈕上二的箭頭指向圖中位置C或H時；

D擋：當(dāng)旋鈕中的箭頭指向圖中位置D或I時；

E擋：當(dāng)旋鈕中的箭頭指向圖中位置E或J時；

（2）A擋：R1、R2并聯(lián)連入電路，電路的總電阻最小，為最大功率擋。

PA=U2R1+U2R2

=（220V）260Ω+（220V）2120Ω

=1 210W。

B擋：只有R1接入電路，為較大功率擋：

PB=U2R1=（220V）260V

=806.7W。

C擋：R1、R2串聯(lián)連入電路，電路的總電阻最大，為最小功率擋：

R=R1+R2=60Ω+120Ω=180Ω，

PC=U2R=（220V）2180Ω

=268.9W。

D擋：只有R2接入電路，為較小功率擋：

PD=U2R2=（220V）2120Ω

=403.3W。

E擋：空擋，接此擋時功率為0

PE=0。

(欄目編輯陳 潔)