關(guān)于中考物理中“直流電路安全及保護(hù)”問(wèn)題的思考

吳云飛

摘 要：全國(guó)中考物理試題中常會(huì)涉及到直流電路安全及保護(hù)問(wèn)題。本文作者根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以不同的例題分析并演示了如何保護(hù)電流表、用電器和電壓表的安全等題目。

關(guān)鍵詞：直流電路；電流表；用電器；電壓表

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1992-7711（2017）05-040-2

在近幾年全國(guó)中考物理試題中，經(jīng)常會(huì)涉及到直流電路安全及保護(hù)問(wèn)題，這其中主要包括：用電器、滑動(dòng)變阻器、電流表、電壓表的安全及保護(hù)，因?yàn)槊總€(gè)電路元件都有它工作的限制條件，超出其條件工作，那么電路元件就會(huì)“不安全”，所以電路中通過(guò)各元件的電流不能超過(guò)其額定值，它兩端的電壓也不能超過(guò)其額定值。如標(biāo)有“12V6W”燈泡，它兩端的實(shí)際電壓不能超過(guò)“12V”，滑動(dòng)變阻器上標(biāo)有“50Ω15A”的字樣，通過(guò)它的電流也不得超過(guò)15A，還有電路中使用的電流表、電壓表都不能超過(guò)其所給的“量程”，這些主要體現(xiàn)在“過(guò)流保護(hù)”、“過(guò)壓保護(hù)”上，若違反這些原則，則它們可能會(huì)被燒壞，從而影響電路的正常工作，導(dǎo)致整個(gè)電路“罷工”。

因此保證各電路元件的安全，要應(yīng)該對(duì)電路設(shè)計(jì)有一定的限制，許多九年級(jí)學(xué)生在解答這類問(wèn)題時(shí)往往顧此失彼，錯(cuò)誤率較高，既是九年級(jí)物理的教學(xué)難點(diǎn)，也是中考物理的一塊難啃的“硬骨頭”，因此只有綜合運(yùn)用串并聯(lián)電路的基本特點(diǎn)、歐姆定律，既要考慮用電器、滑動(dòng)變阻器的安全，又要考慮電表的安全，才能正確解答“直流電路安全及保護(hù)”的問(wèn)題，故在具體計(jì)算中需要圍繞電路不能正常工作的原因進(jìn)行必要的討論，解題時(shí)，不要因?yàn)榭紤]不周而出現(xiàn)解題錯(cuò)誤。

多年來(lái)一直從事九年級(jí)畢業(yè)班的物理教學(xué)，通過(guò)在以往的教學(xué)實(shí)踐中的積累與整理，我認(rèn)為在中考物理中反映“直流電路安全及保護(hù)”的問(wèn)題主要表現(xiàn)有以下幾類：

一、考慮保護(hù)電流表的安全

例題1：如圖所示R1是最大阻值為100Ω的滑動(dòng)變阻器，電流表A1的量程是0～0.6A，電流表A的量程是0～3A，電阻R2=72Ω，電源電壓恒定為18V，閉合電路后，為了保證兩表都能正常工作，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻范圍有多大？

解析：由電路圖可知，滑動(dòng)變阻器R1與電阻R2是并聯(lián)的，其中A1是測(cè)R1支路的電流I1，A是測(cè)干路電流I，因此，在滑動(dòng)變阻器變化的過(guò)程中，由并聯(lián)電路各支路獨(dú)立工作互不影響可知通過(guò)R2的電流I2不變，即I2=U/R2=18V/7.2Ω=2.5A，

因此通過(guò)滑動(dòng)變阻器的電流最大為：I1=3A-2.5A=05A，此時(shí)I1<0.6A，所以滑動(dòng)變阻器此時(shí)接入電路的最小值R1=U/I1=18V/0.5A=36Ω.即滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值變化范圍為36Ω～100Ω。

說(shuō)明：這里我們不能將兩個(gè)電流表隔離開(kāi)來(lái)討論，更不能誤認(rèn)為只要兩個(gè)電流表的最大電流分別為各自的最大值，電流表就是安全的，因而錯(cuò)誤的認(rèn)為A1表中的最大電流I1為0.6A，從而滑動(dòng)變阻器的最小值R1=U/I1=18V/0.6A=30Ω，本題考察了并聯(lián)電路的特點(diǎn)和歐姆定律，會(huì)確定通過(guò)變阻器的最大電流是解本題的關(guān)鍵。

二、考慮保護(hù)用電器的安全

例題2：有兩個(gè)定值電阻，它們分別標(biāo)有“2A 10Ω“和“1A 5Ω”字樣，

（1）若將他們串聯(lián)起來(lái)使用，則電路兩端允許加的最大電壓為_(kāi)_____ V；

（2）若將它們并聯(lián)起來(lái)使用，則通過(guò)干路的最大電流為為_(kāi)____ A。

分析：串聯(lián)電路電路處處相等，為了不損壞電阻，比較兩電阻允許通過(guò)的最大電流，選其中額定電流較小的電流，即電路中的電流最多等于兩電阻中的最小值才行，然后根據(jù)串聯(lián)電路的電阻特點(diǎn)和歐姆定律求出允許加在電路兩端的最大電壓。

解析：（1）因?yàn)榇?lián)電路中中電流處處相等，所以將兩只電阻串聯(lián)時(shí)，電路中的最大電流I=1A，而串聯(lián)電路中總電阻等于各部分電阻之和，所以由I=U/R可知，允許加在電路兩端的最大電壓：U=I（R1+R2）=1A×（10Ω+5Ω）=15V。

（2）兩只電阻兩端允許的最大電壓分別為它們的額定電壓：

U1=I1R1=2A×10Ω=20V。

U2=I2R2=1A×5Ω=5V。

因?yàn)閮呻娮璨⒙?lián)時(shí)它們的電壓是一樣的，所以將兩只電阻并聯(lián)時(shí)，電路兩端允許所加的最大電壓U′=5V，此時(shí)R2支路的電流I2=1A，通過(guò)R1支路的電流I1′=U′/R1=5V/10Ω=0.5A

因?yàn)椴⒙?lián)電路中干路電流等于各支路電流之和，所以通過(guò)干路的最大電流：

I′=I1′+I2=0.5A+1A=1.5A。

說(shuō)明：本題考察了串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的特點(diǎn)以及歐姆定律的應(yīng)用，關(guān)鍵是知道串聯(lián)時(shí)允許通過(guò)的最大電流為兩個(gè)電阻允許通過(guò)最大電流中最小的一個(gè)，兩只電阻并聯(lián)時(shí)電路兩端的最大電壓為兩電阻允許所加最大電壓中最小的一個(gè)，進(jìn)而總結(jié)出串聯(lián)時(shí)考慮到額定電流小的用電器，并聯(lián)時(shí)考慮到額定電壓小的用電器即可。本題不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為因?yàn)閮蓚€(gè)電阻串聯(lián)，電路兩端允許加的最大電壓就等于兩個(gè)電阻的額定電壓直接相加，兩個(gè)電阻并聯(lián)，通過(guò)干路的最大電流就等于兩個(gè)電阻的額定電流直接相加。另外本題還可以變化為兩電阻并聯(lián)，求電源的總電壓。

三、同時(shí)考慮保護(hù)電流表和電壓表的安全

例題3：在圖所示的電路中，電阻R1=30Ω，滑動(dòng)變阻器R2標(biāo)有“100Ω 2A”字樣，電流表的量程為0～0.6A，電壓表的量程為0～15V。閉合開(kāi)關(guān)S后，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片處于某一位置時(shí)，電壓表的示數(shù)為9V，電流表的示數(shù)為0.5A。求：

（1）此時(shí)滑動(dòng)變阻器R2接入電路的阻值；

（2）電源電壓；

（3）為了保證兩個(gè)電表都能正常工作，滑動(dòng)變阻器R2接入電路的阻值范圍。

解析：R2=U2/I=9V/0.5A=18Ω

（2）U1=IR1=0.5A×30Ω=15V

U=U1+U2=15V+9V=24V

（3）對(duì)于電壓表而言，因?yàn)殡妷罕頊y(cè)量的是滑動(dòng)變阻器的電壓，

且當(dāng)U2最大=15V時(shí)，U1′=U-U2最大=24V-15V=9V

I′=U1′/R1=9V/30Ω=0.3A

R′2最大=U2最大/I′=15V/0.3A=50Ω

對(duì)于電流表而言，因?yàn)殡娏鞅頊y(cè)量整個(gè)電路的電流，

當(dāng)I″=0.6A時(shí)，U1″=I″R1″=0.6A×30Ω=18V

U2最小=U-U1″=24V-18V=6V

R2最小=U2最小/I″=6V/0.6A=10Ω

∴滑動(dòng)變阻器的阻值范圍為10Ω～50Ω

說(shuō)明：在我們具體解題時(shí)，一方面要考慮電流表安全工作時(shí)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)范圍，另一方面還要考慮電壓表安全工作時(shí)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)范圍，尤其要引起我們注意的是，一定要分析清楚所求得的電阻值是該種情況下的最大值還是最小值。最后結(jié)合兩種情況下的電阻值得到一個(gè)正確的取值范圍。

四、考慮保護(hù)多種電路元件的工作安全

例題4：如圖所示，電源電壓保持6V不變，電流表的量程為0～0.6A，電壓表的量程為0～3V，定值電阻R1的規(guī)格為“10Ω 0.5A”，滑動(dòng)變阻器的R2規(guī)格為“20Ω 1A”。閉合開(kāi)關(guān)，為了保證電路安全，在變阻器滑片移動(dòng)過(guò)程中，求：

①求電流表示數(shù)允許的變化范圍？

②求電阻R1消耗功率允許的變化范圍？

③求滑動(dòng)變阻器R2接入電路的阻值允許變化范圍？

④電路消耗總功率允許的變化范圍？

解析：首先按常規(guī)可知允許通過(guò)電流表的最大電流為0.6A，允許通過(guò)R1的最大電流是0.5A，允許通過(guò)滑動(dòng)變阻器的最大電流是1A，所以為了安全起見(jiàn)，故電路中的電流不能超過(guò)0.5A，

但是當(dāng)I=0.5A時(shí)，I=U/（R1+R2）

即：0.5A=6V/（R2+10Ω）

解得：R2=2Ω

如果R2<2Ω，電流會(huì)超過(guò)電流表的量程，此時(shí)，電壓表的示數(shù)為：

U′=IR1=0.5A×10Ω=5V>3V

所以，最大電流不能為0.5A，而應(yīng)該保證電壓表示數(shù)最大為3V，此時(shí)：

I最大=3V/10Ω=0.3A

R2兩端的電壓也是3V，所以，電阻也是10Ω。

即滑動(dòng)變阻器R2接入電路的阻值允許變化范圍是：10～20Ω

當(dāng)電壓最大時(shí)為3V，R1的功率：P1=U2/R1=（3V）2/10Ω=0.9W

當(dāng)電流最小時(shí)，滑片P應(yīng)該放在最左端：I最小=I′=6V/（10Ω+20Ω）=0.2A

故R1的功率：P′=I′2R1=（0.2A）2×10Ω=0.4W

所以，R1功率范圍是：0.4～0.9W。

整個(gè)電路消耗總功率P最小=U I最小=6V×0.2A=1.2W

整個(gè)電路消耗總功率P最大=U I最大=6V×0.3A=1.8W

∴電路消耗總功率允許的變化范圍為1.2W～1.8W

說(shuō)明：本題經(jīng)過(guò)分析有四個(gè)電路元件需要保護(hù)，環(huán)環(huán)相扣，若切入點(diǎn)不適宜，找不準(zhǔn)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)問(wèn)題會(huì)前后牽制，互相矛盾，故最有效的思路是先能找出電路中允許通過(guò)的最大電流和最小電流，圍繞最大電流和最小電流再去展開(kāi)考慮其它要解決的問(wèn)題，將會(huì)使問(wèn)題簡(jiǎn)化，迎刃而解。