典型家庭電路知識(shí)競(jìng)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(xiǎn)絲、單刀雙擲開(kāi)關(guān)的安全使用；“電力增容”情況下導(dǎo)線的選擇；家電的購(gòu)買不光要考慮省電，更要注重節(jié)能；如何用旋轉(zhuǎn)開(kāi)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(duì)競(jìng)賽類試題作一歸類分析。

關(guān)鍵詞：典型；競(jìng)賽試題；歸類分析解答

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

家庭電路知識(shí)是非常實(shí)用的物理知識(shí)，近些年來(lái)的全國(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)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(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽選擇題第3題)白熾燈絲斷了之后，如果再搭上，還會(huì)發(fā)光，這時(shí)的耗電功率與原來(lái)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(zhǎng)度比原來(lái)減小，在相同溫度條件下，材料和橫截面積不變時(shí)，燈絲的電阻跟長(zhǎng)度成正比，燈絲長(zhǎng)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(shí)耗電功率和原來(lái)相比會(huì)增加，選取A。

例2 (1996年全國(guó)初中物理競(jìng)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(xiǎn)絲取下，把一個(gè)額定電壓為220V的燈泡連接在原來(lái)安裝保險(xiǎn)絲的位置，同時(shí)要求將電路中所有開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)。用這種方法可以檢驗(yàn)電路中是否有短路。在接通電源后，下列說(shuō)法中正確的是( )

A.若檢驗(yàn)燈泡正常發(fā)光，表明電路連接無(wú)誤。

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

C.檢驗(yàn)燈泡不亮，但將某一個(gè)電燈的開(kāi)關(guān)閉合后，這個(gè)電燈和檢驗(yàn)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)還是閉合，檢驗(yàn)燈泡均不發(fā)光，這表明電路中有短路。

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

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

B.該說(shuō)法中，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電路中沒(méi)有電流，檢驗(yàn)燈泡不亮；閉合某一開(kāi)關(guān)，檢驗(yàn)燈泡正常發(fā)光，表明是這個(gè)開(kāi)關(guān)造成了短路，因而B(niǎo)說(shuō)法是正確的。

C.檢驗(yàn)燈泡不亮，但將某一個(gè)電燈的開(kāi)關(guān)閉合后，這個(gè)電燈和檢驗(yàn)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(shuō)法是錯(cuò)的。因?yàn)闄z驗(yàn)燈泡與這個(gè)電燈是串聯(lián)，所以兩個(gè)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(méi)有問(wèn)題。故C說(shuō)法錯(cuò)誤。

D.不論將電路中用電器的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)還是閉合，檢驗(yàn)燈泡均不發(fā)光，表明電路中有短路的說(shuō)法是錯(cuò)的。應(yīng)該說(shuō)表明電路中有斷路，而不是短路，因而D說(shuō)法是錯(cuò)誤的。

綜合以上分析，本題正確答案應(yīng)選B。

例3 (1997年全國(guó)初中物理知識(shí)競(jìng)賽選擇題第1題)家庭電路中的保險(xiǎn)絲燒斷了，下列說(shuō)法中正確的是( )

A.用銅絲代替。

B.為了保險(xiǎn)，選擇盡量粗的保險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)絲代換。

解析 A.用銅絲代替保險(xiǎn)絲，因?yàn)殂~的熔點(diǎn)高，在電流過(guò)強(qiáng)時(shí)它還不會(huì)熔斷，起不到保險(xiǎn)作用，故答案A錯(cuò)誤。

B.盡量粗的保險(xiǎn)絲額定電流過(guò)大，電流過(guò)強(qiáng)時(shí)它不熔斷，就失去了保險(xiǎn)作用。故B說(shuō)法錯(cuò)誤。

C.選用保險(xiǎn)絲額定電流過(guò)小，在正常供電情況下保險(xiǎn)絲也會(huì)熔斷，會(huì)造成停電事故。故C說(shuō)法錯(cuò)誤。

D.家庭電路中保險(xiǎn)絲斷了，正確的選擇方法是保險(xiǎn)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(shuō)法是正確的。故正確答案為D。

例4 (2001年全國(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)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(xiǎn)絲并未燒斷，用測(cè)電筆測(cè)試各處電路時(shí)，氖管都發(fā)光，他對(duì)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(xiǎn)絲發(fā)現(xiàn)并未燒斷，說(shuō)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(shí)，線路中將會(huì)產(chǎn)生很大的電流，將保險(xiǎn)絲熔斷，自動(dòng)切斷電路，但保險(xiǎn)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(wú)論是進(jìn)戶火線斷路，還是進(jìn)戶零線斷路，幾盞電燈都會(huì)全部熄滅，但用測(cè)電筆測(cè)試各處電路時(shí)，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(niǎo)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(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽試題第二題填空題第2小題)圖2為一個(gè)三孔插座，其中有一個(gè)插孔的導(dǎo)線是與室外大地相連的，請(qǐng)把這個(gè)插孔與圖中代表大地的記號(hào)E用線連起來(lái)，如果這個(gè)插孔的導(dǎo)線斷了，使用這個(gè)插座還能使洗衣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，但存在的問(wèn)題是______。

解析 學(xué)生若不留心，往往不清楚三孔插座的那一個(gè)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(gè)插孔具有安全保障作用，這個(gè)插孔的導(dǎo)線斷了，使用這個(gè)插座還能使洗衣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是存在的問(wèn)題是：家用電器的金屬外殼本來(lái)是跟火線絕緣的，是不帶電的，人體接觸外殼并沒(méi)有危險(xiǎn)。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(huì)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(huì)從接地導(dǎo)線流走，人體接觸外殼就沒(méi)有危險(xiǎn)了。

例6 (2004年全國(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽試題第一大題第4小題)圖4給出了小明設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)(都是單刀雙擲開(kāi)關(guān))，要求撥動(dòng)其中任一開(kāi)關(guān)，都能改變電燈原來(lái)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(shuō)明，在開(kāi)關(guān)S1，S2的接觸端分別標(biāo)上數(shù)字1、1′，2、2′(見(jiàn)A、B、C、D四圖)。

A方案 電燈一端與零線連接，另一端接在開(kāi)關(guān)S2的轉(zhuǎn)軸上，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)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(lái)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(kāi)關(guān)S2的轉(zhuǎn)軸上，即使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，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(lái)發(fā)光或熄滅狀態(tài)，但電路連接不符合安全用電中開(kāi)關(guān)與火線連接的要求。

C方案 電燈的兩端分別與開(kāi)關(guān)S1，S2的接觸端1、1′連接，開(kāi)關(guān)S1的轉(zhuǎn)軸與火線相連，開(kāi)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?？梢?jiàn)方案3中開(kāi)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(kāi)關(guān)S1與S2的轉(zhuǎn)軸相連，開(kāi)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(kāi)關(guān)都與左邊接觸點(diǎn)接觸燈才亮，對(duì)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(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽試題第三大題第2小題)小明要買一個(gè)電爐用來(lái)燒開(kāi)水，他到商店去購(gòu)買時(shí)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(shí)間比用1200W的時(shí)間更長(zhǎng)些。實(shí)際上用電爐給水壺加熱的同時(shí)，也在散熱，由于使用800W電爐加熱的時(shí)間更長(zhǎng)，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(huì)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(gòu)買電功率大一些的電爐更為合算。

例8 (2007年全國(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)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?gòu)募讘艚?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(zhǎng)時(shí)間通電時(shí)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(jì)。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(wèn)題：

1、畫(huà)出院內(nèi)的供電電路圖。

2、通過(guò)計(jì)算說(shuō)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(shí)使用“220V 4kW”的電器時(shí)，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(shí)，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(zhǎng)的銅導(dǎo)線的電阻為

R=4.25×10-3×50=0.21Ω。

每個(gè)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(shí)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(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽試題第五題)如圖6所示是一個(gè)電熱器的工作原理圖，電熱器內(nèi)有兩個(gè)阻值分別為R1=60Ω和R2=120Ω的電熱絲；旋轉(zhuǎn)開(kāi)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(gè)金屬觸點(diǎn)；可以繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的開(kāi)關(guān)旋鈕兩端各有一個(gè)金屬滑片，轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)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(shí)，金屬滑片將2、3觸點(diǎn)接通，同時(shí)另一端將7、8觸點(diǎn)接通。用這個(gè)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)電熱器有多擋位工作的要求。請(qǐng)回答：

(1)這個(gè)電熱器可有幾個(gè)不同加熱擋位?并指出每個(gè)加熱擋位旋轉(zhuǎn)開(kāi)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(shí)每個(gè)擋位的功率各是多大。

解析 (1)有五個(gè)擋位；

A擋：當(dāng)旋鈕上的箭頭指向圖中位置A或F時(shí)；

B擋：當(dāng)旋鈕上的箭頭指向圖中位置B或G時(shí)；

C擋：當(dāng)旋鈕上二的箭頭指向圖中位置C或H時(shí)；

D擋：當(dāng)旋鈕中的箭頭指向圖中位置D或I時(shí)；

E擋：當(dāng)旋鈕中的箭頭指向圖中位置E或J時(shí)；

（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(shí)功率為0

PE=0。

(欄目編輯陳 潔)