中考物理電路設計例題與解析

2016年中考物理電路設計例題與解析

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　　例1

　　1.在圖的電路中，R為待測電阻，阻值約為5歐。給你的器材有：滑動變阻器(2安，0～10歐);電壓表，有2個量程，分別為0～3伏、0～15伏;電流表，有2個量程，分別為0～0.6安、0～3安;電池組為新干電池3節串聯。兩只電表的量程可采用以下4種選法，但為使測量時能較準確地讀數，最后，兩只電表的量程應采用 [ ]

　　A.0～0.6安和0～1.5伏。 B.0～3安和0～15伏。

　　C.0～0.6安和0～3伏。 D.0～3安和0～3伏。

　　思路點撥

　　電學實驗中，為了安全、準確地測量和讀取實驗數據，應該注意正確地選用有關的儀表，通常最值得注意的有兩點：首先要注意安全，即被測量的物理量的值不能超過所用儀表允許測量的最大值(即此儀表的量程);其次要使被測量量能盡量清楚準確地顯示出來，這就要求不能盲目地選用大量程的儀表而應該根據被測量量的大小來選用適當大小量程的儀表，例如有量程為10A的電流表和量程為1A的電流表各一只，要測量約為0.8A的電流的大小，顯然應選用量程為1A的電流表來進行測量，如果盲目地選大量程的表而選用了量程為10A的電流表去測量，此時盡管被測電流沒有超過此表的量程，是很安全的(即不會因超量程而損壞電表)，但被測電流相對于此表的滿偏電流來說是太小了，則此時電流表的指針將偏轉很少，這是很難將其電流值讀準的.

　　結合本題的實驗電路和所提供的可供選擇的器材來考慮：電源為3節新電池串聯，則其所能提供的電壓為4.5V，由于有一滑動變阻器與待測電阻串聯，注意到待測電阻約為5Q，滑動變阻器最大阻值為10Q，則通過調節滑動變阻器，可以使待測電阻上的電壓在1.5V至4.5V的范圍內變化.這樣，為測量待測電阻兩端的電壓，電壓表的量程應選用0～3V(如選用0～15)V量程，則測量待測電阻上電壓時電壓表指針偏轉都會太少，這樣讀數的誤差將太大而影響實驗結果.而選用0～3V量程時，則可通過滑動變阻器的調節，使加在待測電阻上的電壓在3V以內變化，這樣，電壓的讀數誤差就小多了.而所測出的待測電阻的阻值，并不會因為加在它兩端的電壓小了而不準.加在待測電阻兩端的電壓最大值限制為3V，則通過它的電流便被限制在約0.6A之內，所以電流表的量程應選0～0.6A.

　　由上可見，本題的C為正確選項。

　　答案：C

　　例2

　　2.某醫院要安裝一種呼喚電鈴，使各病床的病人均可單獨呼叫，只要一按床頭的開關，值班室的電鈴就響，且與該病床相對應的指示燈亮，請在圖中畫出正確的連接方法。

　　思路點撥

　　按照要求，例如甲床頭只要按自己的開關，則值班電鈴就響，與甲床對應的指示燈就亮，可見，電源、開關、電鈴和指示燈四者應連接成一閉合電路.而乙床按其所對應的開關時，則應該同樣有電鈴響，乙床的指示燈亮而甲床的指示燈不亮.可見在總的電路中，應該是將每個病床的開關與其對應的指示燈連接起來組成一條支路，將所有這些支路關聯起來再與電源和電鈴串聯起來.

　　答案：如圖所示。

　　例3

　　3.做電學實驗時需要測量約0.5安的電流，但是實驗室內當時只有一個量程為0.3安的電流表。如果手邊有12伏學生電源、0～50歐的滑動變阻器、電爐用的電阻絲，以及導線和開關，有什么簡單辦法可以把電表的量程臨時地近似改為0.6安?畫出電路圖，簡述操作步驟。

　　思路點撥

　　過電流表的電流為I1，通過電阻R的電流為I2，通過這一并聯部分的總電流為I=I1+I2.顯然，若我們把圖中虛線框內的整體視為一個新的電流表A’，則流過原電流表A的電流為I1時，流過新電流表A’的電流便為I(I=I1+I2).若I1為A的量程，則I便為A’的量程.

　　答案:電路圖如圖

　　操作步驟：

　　(1)照圖連接電路，滑動變阻器的滑片放在電阻最大的位置，開關處于斷開狀態，電阻絲的M端擰在電流表的一個接線柱上， N端暫時不連;

　　(2)閉合開關，調節滑動變阻器，使電流表達到滿刻度;

　　(3)試看將電阻絲的不同位置連在電流表的另一個接線柱上，以改變接人電路中電阻絲的長度，當電流表達到半偏時(即電流表指針指在滿刻度一半的地方時)將這個位置擰緊在接線柱上.

　　引申拓展

　　平時我們在進行電路計算時，通常都沒有考慮電流表的電阻，即認為電流表的電阻是零.事實上，任何一個電流表都有它一定的電阻，只是這個阻值一般都很小(相對于電路中其它電阻來說)，因此將它忽略不計并不會對計算結果有明顯影響.而在本題中，要把電流表的量程擴大，相當于對電流表本身做一次改造，顯然這時是不能忽略它的電阻了.

　　本題做法的道理是：由于電流表的電阻遠小于滑動變阻器接入電路的電阻，則當再以一電阻絲與電流表并聯后，兩者并聯后的總電阻將比原電流表的電阻更小.而這樣對整個電路來說，由于滑動變阻器的滑片未動，其接入電路的電阻未變，則相當于整個電路的總電阻只發生了微小的可忽略的變化，即此時通過電路的總電流不變，仍為原來使電流表滿偏的電流.而此時電流表顯示的數字則只有原來的一半，表明另一半電流是由電阻絲中通過了(由并聯規律可以看到，此時電阻絲接入電路的電阻與原電流表本身的電阻相等).這樣，把電阻絲和原電流表視為一個新的電流表，則這個新電流表的量程便是原電流表量程的2倍了.

　　例4

　　4.在一次實驗中需要測量小燈泡兩端的電壓和流過它的電流。聰明而粗心的小剛連接了如圖所示的電路。同組的小林發現有錯，主張拆了以后重新連接，可是時間來不及了，小剛眼珠一轉，在圖示電路中只增加了一根導線，電路就正常工作了。問：

　　(1)如果閉合圖示電路中的開關，電壓表的讀數約為多少?電流表的讀數約為多少?小燈泡發光情況如何?

　　(2)在圖中畫出小剛連接的那條導線。

　　思路點撥

　　根據實物圖，可以畫出其對應的電路圖,如圖.此電路為小燈泡與定值電阻串聯后再與電流表并聯，然后這個并聯部分再分別與電壓表和滑動變阻器串聯，由于電壓表的電阻很大，且它又是串聯在電路中，故此時若將開關閉合，通過電路的電流將很小(接近為零)，電源的全部電壓都加在電壓表上，由此，電壓表的讀數將約為6V，電流表的讀數將約為零，小燈泡將不會發光.

　　由圖可以看到，為使電流表測得的是通過燈泡的電流，電壓表測得的是燈泡兩端的電壓，可將上圖改接為下圖，在下圖中，由于加接了一條導線而使得小燈泡和定值電阻間成了并聯關系，并且此時正好是電流表測得通過小燈泡的電流而電壓表測得小燈泡兩端的電壓.

　　答案: (1)在圖的電路中，若閉合開關，電壓表的讀數約為6V，電流表的讀數約為零，小燈泡不發光.

　　(2)小剛連接那條導線后的實物圖如圖所示.

　　有些同學對看電路的實物圖不太習慣，特別是在這樣的圖上來分析電路中的有關變化關系更感棘手.而對于普通的電路圖則較為熟悉，因此，在遇到有關實物圖的問題時，不妨如本題畫出其對應的電路圖再來進行分析和求解.

　　例5

　　5.太陽能曬水箱中的水在冬天往往溫度不夠高，同學們在水箱中加裝了一個“220V， 2000 W”的電熱管，并利用一個“6V， 1W”的小燈泡和一段10Ω/m的電阻絲，為電熱管安裝了一個指示燈。

　　(1)畫出電熱管及指示燈的電原理圖。

　　(2)在同學們的方案中，小燈泡兩端的電壓是按5V設計的。對于指示燈來說，這樣設計有什么好處?

　　(3)按上述設計，電阻絲需截用多長的一段?

　　(4)安裝指示燈后，電熱管的實際功率是額定功率的百分之幾?

　　計算中可以認為電熱管、小燈泡及電阻絲的電阻不隨溫度發生明顯變化.

　　思路點撥

　　小燈泡作為電熱管的指示燈，應該是電熱管工作(電熱管中有電流通過)時，小燈泡發亮，電熱管不工作(電熱管中沒有電流)時，小燈泡不發亮，即小燈泡中的電流應隨電熱管中的電流有無而有無.為滿足這一要求，應將小燈泡和電熱管串聯.

　　另一方面，還應該注意一下電熱管和小燈泡正常工作時通過各自的電流大小.電熱管正常工作時，通過它的電流大小為I1=P1/U1=2000/220=9(A)

　　小燈泡正常工作時通過它的電流大小為

　　I2=P2/U21/6=0.17(A)

　　比較上述的I1和I2可知，不可以將小燈泡和電熱管簡單地串起來就接在220V的電路中(如果這樣，通過小燈泡的電流必超過其額定電流而使小燈泡燒毀)，為使上述的串聯關系成立而又不致使通過小燈泡的電流過大，可以設法取另一電阻與小燈泡并聯，只要這一電阻的大小取值恰當，便可將由電熱管流來的電流分流出一部分而使通過小燈泡的電流不超過其額定電流.

　　答案:

　　(1)電熱管及指示燈的電原理圖如圖所示.

　　(2)指示燈兩端的電壓按5V設計，則實際工作時通過小燈泡的電流略小于小燈泡的額定電流，這樣可以延長指示燈的使用壽命.

　　(3)由公式P=U2/R 得電熱管的電阻為22.4歐

　　電熱管兩端的實際電壓U1=U-U2=215V

　　通過電熱管的實際電流為I1=U1/R1=8.9歐

　　再分別算出小燈泡的電阻36歐，通過小燈泡的實際電流0.139A，通過電阻絲的電流為8.745A，電阻絲的電阻值為0.572歐，所用電阻絲的長度應為0.057m

　　(4)由電功率的公式P=U2/R可知同一電阻在不同電壓下其電功率與電阻兩端電壓的平方成正比，故知此時電熱管的實際功率與其額定功率的比值為96%

　　引申拓展

　　對于本題，有同學設計了如上圖的電路，這一電路雖保證了電熱管兩端的電壓為額定電壓，但指示燈卻不能顯示電熱管是否在正常工作.指示燈不亮時是指示燈所在支路中無電流，這時有兩種可能：一種可能是整個電路的干路出故障，電熱管兩端無電壓，電熱管不工作;另一種可能是指示燈所在支路斷路，但電路其他部分完好，則電熱管仍能正常工作.指示燈亮時，表示指示燈所在支流中有電流通過，這最多也只能表示電熱管兩端有電壓，卻不能表示電熱管中有無電流通過，即不管電熱管處是通路還是斷路，指示燈都能正常發光.所以，上圖的設計是不符合要求的.

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