初中物理中非常態(tài)電路探討

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)仙林學(xué)校初中部，江蘇 南京 210023)

初中物理中非常態(tài)電路探討

滕文

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)仙林學(xué)校初中部，江蘇 南京 210023)

本文結(jié)合具體例題，探討非常態(tài)電路問(wèn)題及其解答要領(lǐng)，這類問(wèn)題要求學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，會(huì)對(duì)電學(xué)現(xiàn)象運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析，以增強(qiáng)其綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

初中物理；非常態(tài)電路；電路故障

1 引言

非常態(tài)電路即常說(shuō)的故障電路，電路中的電流表或是電壓表會(huì)出現(xiàn)非正常示數(shù)，而原因一般是由于電路中的開關(guān)、導(dǎo)線或是元器件(如燈泡、電阻、滑動(dòng)變阻器等)斷路或短路造成的。這種類型的題目一般在中考物理中分值為2分，出現(xiàn)形式大多為電學(xué)實(shí)驗(yàn)題中的某一問(wèn)。雖然分值不多，但是大多以B類題出現(xiàn)，要求學(xué)生對(duì)電路的結(jié)構(gòu)有一定的認(rèn)識(shí)和理解。

2 兩種基本的電路故障

例1：在如圖1所示的電路中，閉合開關(guān)S，燈L不亮，電壓表有示數(shù)，已知電路中各處均接觸良好，除燈L和電阻R外，其余元件均完好。

圖1

(1) 該電路中存在的故障可能是______________或______________，你有什么辦法可以確定是哪一種故障嗎？

(2) 將一個(gè)電流表正確串聯(lián)在電路中，閉合開關(guān)S，觀察電流表的示數(shù)情況，若電流表有示數(shù)，說(shuō)明故障是 ________；若電流表無(wú)示數(shù)，說(shuō)明故障是

(3) 將圖中電壓表正確并聯(lián)在燈L兩端，你認(rèn)為________(選填“能”或“不能”)查找出電路的故障，理由是_________。

解析：第(1)問(wèn)是一道常見的故障分析題，根據(jù)題干中儀表的現(xiàn)象，判斷故障的位置，由于只有電壓表，所以故障有L短路和R斷路兩種可能。第(2)、(3)問(wèn)會(huì)在本文的后面給出解析。

大多數(shù)電路的故障不是斷路就是短路，如燈絲斷了、滑動(dòng)變阻器接觸不良、導(dǎo)線斷開等，會(huì)造成斷路，則電路中無(wú)電流，電流表無(wú)示數(shù)，電壓表所在的位置不同，示數(shù)也會(huì)不同；而發(fā)生短路的儀器相當(dāng)于一根導(dǎo)線，同時(shí)電路中電流變大，電壓表所在的位置不同，示數(shù)也會(huì)不同。因此，電流表和電壓表示數(shù)的非正常變化是判定故障的重要依據(jù)。

下面筆者將非常態(tài)電路按照儀表示數(shù)的變化，分成三種情況，借助例題，歸納確定故障位置的方法。

3 幾種常見的電路故障

3.1 電壓表有示數(shù)，電流表無(wú)示數(shù)

例2：如圖2所示，小明同學(xué)在“測(cè)未知電阻Rx”的實(shí)驗(yàn)中。

圖2

(1) 閉合開關(guān)后，發(fā)現(xiàn)電流表指針幾乎不動(dòng)，電壓表示數(shù)約為電源電壓，故障的原因是 (選填“Rx短路”或“Rx斷路”)。

解析：根據(jù)電流表無(wú)示數(shù)，判斷出電路發(fā)生斷路，由電壓表示數(shù)為電源電壓可知，除了Rx，電路其他部分完好，電壓表示數(shù)為電源電壓，證明故障是Rx斷路。

例3：小華用如圖3所示電路測(cè)量小燈泡的額定功率，小燈泡上標(biāo)有“3.8V”的字樣，額定功率約為1W，滑動(dòng)變阻器的規(guī)格是“20Ω 1A”，電源電壓恒為6V，在實(shí)驗(yàn)中，小華不慎將電流表和電壓表的位置接反了，則合上開關(guān)后看到的現(xiàn)象可能是( )。

圖3

A． 只有電流表有示數(shù)，燈不亮

B． 兩電表均有示數(shù)，燈亮

C． 只有電壓表有示數(shù)，燈不亮

D． 只有電流表有示數(shù)，燈亮

解析：在初中物理教學(xué)中，為方便學(xué)生理解，可認(rèn)為電流表相當(dāng)于一根導(dǎo)線，電阻很小，串聯(lián)在電路中；電壓表電阻很大，并聯(lián)在用電器的兩端；當(dāng)這兩個(gè)表接反之后，電路中電阻很大，幾乎無(wú)電流，因此電流表無(wú)示數(shù)，電壓表相當(dāng)于直接連在電源兩端，示數(shù)為電源電壓，答案為C。

小結(jié)：如電壓表有示數(shù)、電流表無(wú)示數(shù)，常見的原因如下：(1) 可能是與電壓表并聯(lián)的電路斷路；(2) 可能是電壓表串聯(lián)在電路中，電流很小，無(wú)法顯示；(3) 電流表被短路的情況也可能有，但一般不作為出題的參考。

3.2 電壓表無(wú)示數(shù)，電流表有示數(shù)

例4：電源電壓為6V，圖4為伏安法測(cè)電阻的電路圖，如果實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)：電流表有示數(shù)，電壓表示數(shù)為0的現(xiàn)象，其故障可能是( )。

圖4

A． 電流表的正、負(fù)接線柱接反

B． 電壓表的量程選小了

C． 電阻Rx發(fā)生了短路

D． 把滑動(dòng)變阻器下端兩接線柱連入電路

解析：根據(jù)電流表有示數(shù)，說(shuō)明電路是通路，應(yīng)該是某處發(fā)生短路，根據(jù)電壓表沒(méi)有示數(shù)，說(shuō)明與電壓表并聯(lián)的部分沒(méi)有電阻，因此測(cè)不出電壓大小，所以很容易得出Rx發(fā)生短路，答案為C。

例5：如圖5所示，小明做測(cè)量小電燈功率的實(shí)驗(yàn)。閉合開關(guān)，發(fā)現(xiàn)小燈泡微弱發(fā)光，電流表有示數(shù)，電壓表指針指向零刻度線，電路可能存在的故障是______________ 。

圖5

解析：小燈泡微弱發(fā)光，說(shuō)明電路是通路，只是電流比較小，電壓表無(wú)示數(shù)，說(shuō)明問(wèn)題出在與電壓表連接的部分，本題的答案是電壓表接線柱松動(dòng)或者接線處發(fā)生斷路。

這題的原理并不復(fù)雜，但是，在考試中這道題的得分率很低，尤其是思考比較深入的同學(xué)容易發(fā)生錯(cuò)誤，錯(cuò)誤如下：滑動(dòng)變阻器接了兩個(gè)下面的接線柱、燈泡的額定功率太大或者電阻太小。的確，當(dāng)滑動(dòng)變阻器接了兩個(gè)下接線柱時(shí)，使得接入電路的電阻太大，造成電流表示數(shù)很小，小燈泡微弱發(fā)光，但是他們忽略了電壓表無(wú)示數(shù)，即使電流再小，燈泡上或多或少還是有電壓的；當(dāng)燈泡的額定功率太大即電阻很小時(shí)，整個(gè)電路的電阻都不大，那么電流就不會(huì)小，電壓表就應(yīng)該有示數(shù)。

小結(jié)：電壓表無(wú)示數(shù)、電流表有示數(shù)，常見的原因如下：(1) 可能是與電壓表并聯(lián)的電路短路；(2) 可能是與電壓表連接處的導(dǎo)線斷了。

3.3 電流表和電壓表均無(wú)示數(shù)

例6：如圖6所示，在探究“電流與電阻關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，正確連接電路后閉合開關(guān)，在移動(dòng)變阻器滑片P時(shí)，兩電表示數(shù)突然都變?yōu)榱?，則電路故障可能為( )。

圖6

A．R短路 B． 滑片P接觸不良

C．R0短路 D．R0斷路

解析：本題中兩個(gè)電表都沒(méi)有示數(shù)，學(xué)生會(huì)習(xí)慣性分析R0，我們來(lái)假設(shè)一下，若R0短路，即相當(dāng)于一根導(dǎo)線，電壓表沒(méi)有示數(shù)，因?yàn)殡娐分羞€有滑動(dòng)變阻器，電流表應(yīng)該是有示數(shù)的；若R0斷路，整個(gè)電路就處于斷開狀態(tài)，電路中無(wú)電流，則電流表無(wú)示數(shù)，電壓表示數(shù)為電源電壓，說(shuō)明這兩種假設(shè)都錯(cuò)誤，問(wèn)題并不出在R0。若電路中的滑動(dòng)變阻器接觸不良，則相當(dāng)于斷路，那么整個(gè)電路都沒(méi)有電流，電壓表也沒(méi)有示數(shù)，滿足題干所述現(xiàn)象，所以答案為B。

例7：在如圖7所示的電路中，電源電壓保持不變，閉合開關(guān)S，電路正常工作．過(guò)了一會(huì)兒，燈L熄滅，有一個(gè)電表示數(shù)變小，另一個(gè)電表示數(shù)變大．則下列判斷正確的是( )。

圖7

A． 電阻R斷路 B． 電阻R短路

C． 燈L斷路 D． 燈L短路

解析：本題沒(méi)有明確告訴學(xué)生兩個(gè)儀表的示數(shù)變化情況，單從燈L熄滅的情況考慮，有R斷路、L短路、L斷路三種可能。若R斷路，則整個(gè)電路斷路無(wú)電流，電流表變小，電壓表示數(shù)為電源電壓、變大，滿足題干條件；若L短路，則電流表示數(shù)變大，電壓表示數(shù)為電源電壓、也變大，不滿足題干條件；若L斷路，則整個(gè)電路斷路無(wú)電流，由于電壓表與電源兩端必須通過(guò)燈泡L才能相連，所以電壓表也無(wú)示數(shù)，不滿足題干條件，答案為A。

小結(jié)：電壓表的示數(shù)變大，原因如下：一是與電壓表并聯(lián)的部分發(fā)生斷路，電壓表示數(shù)為電源電壓；二是電壓表并聯(lián)的外部發(fā)生短路，電壓表所測(cè)電壓變大；兩者的不同在于有無(wú)電流，即電流表如何變化，若斷路，電流表無(wú)示數(shù)，若短路，電流表示數(shù)變大。

4 用簡(jiǎn)單的器材判斷故障的位置

例8：如圖8所示，為了檢查家庭電路中是否有短路情況，在進(jìn)戶線的干路上串聯(lián)一個(gè)標(biāo)有“PZ220-40”的白熾燈L1，然后斷開家里的其他開關(guān)，只閉合S，若發(fā)光較暗，說(shuō)明該支路_______，發(fā)現(xiàn)L1正常發(fā)光，說(shuō)明該支路_______。

圖8

解析：本題作為家庭電路的故障題，很具特點(diǎn)，因?yàn)樵诩彝ル娐分?，火線、零線間并聯(lián)了很多家用電器，至于是哪條線路出了問(wèn)題很難判斷，實(shí)驗(yàn)室的電流表或電壓表一般不會(huì)接在家庭電路中，因此本題告訴學(xué)生在進(jìn)戶線的干路上串聯(lián)一個(gè)額定電壓為220V的燈泡，先斷開所有支路開關(guān)，然后逐一閉合支路開關(guān)，看其是否能夠正常發(fā)光，若發(fā)光較暗，說(shuō)明該支路沒(méi)有短路；若正常發(fā)光，說(shuō)明該支路短路。

以上8個(gè)例題大致涵蓋了電路故障的多數(shù)情況，并且知道可以通過(guò)添加儀表、導(dǎo)線等方式，確定故障的位置，下面我們來(lái)解決例1的(2)、(3)兩問(wèn)。

解析：(2) 串聯(lián)電流表后，若電流表有示數(shù)，則L短路，若無(wú)示數(shù)，則R斷路。

(3) 將電壓表并聯(lián)在L兩端，若R斷路，則電壓表無(wú)示數(shù)；若L短路，電壓表相當(dāng)于測(cè)導(dǎo)線的電壓，也無(wú)示數(shù)，可知不可行。

5 類似故障的非常態(tài)電路

例9：在如圖9所示的電路中，Ro是定值電阻，L是小燈泡，R是滑動(dòng)變阻器，閉合開關(guān)S，發(fā)現(xiàn)無(wú)論怎樣移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，小燈泡都不發(fā)光．現(xiàn)用一只電壓表檢測(cè)這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，當(dāng)電壓表接a、b兩點(diǎn)時(shí)，電壓表有示數(shù)但很?。唤觓、c兩點(diǎn)時(shí)，電壓表示數(shù)較大．則產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是( )。

圖9

A. L短路 B. L斷路

C.R斷路 D.Ro阻值很大

解析：當(dāng)學(xué)生看到小燈泡不發(fā)光，很有可能把故障歸結(jié)于L的斷路或短路、或是滑動(dòng)變阻器斷路，這也符合之前的分析，但繼續(xù)審題發(fā)現(xiàn)并非如此。電壓表接a、b兩點(diǎn)，測(cè)燈泡上的電壓，若L短路，電壓表無(wú)示數(shù)，若L斷路，電壓表示數(shù)為電源電壓，這與題干條件不符，同樣若R斷路，電壓表也無(wú)示數(shù)；但題中給出了提示，接a、c兩點(diǎn)時(shí)，電壓表示數(shù)較大，說(shuō)明電路既沒(méi)有斷路，也沒(méi)有短路，只是Ro的阻值太大，分得了大部分的電壓，造成燈泡電壓很小，幾乎看不出發(fā)光，本題答案為D。可見除了斷路、短路，還有一種非常態(tài)的情況，造成了故障的假象，因此在解題的過(guò)程中不能生搬硬套。

6 小結(jié)

根據(jù)電流表和電壓表示數(shù)的變化，初步斷定短路或斷路的位置，若電流表無(wú)示數(shù)，常常是發(fā)生斷路，電壓表有無(wú)示數(shù)取決于電壓表所在位置，之后用題干中給出的其他現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證，初步做出判斷，也有并非短路、斷路所造成的非常態(tài)電路，需要利用串并聯(lián)電路特點(diǎn)進(jìn)行整體分析。上述步驟體現(xiàn)了從局部到整體，再回到局部的研究方法，其中現(xiàn)象驗(yàn)證最為關(guān)鍵，要能快捷地做出判斷，需要熟練掌握串聯(lián)分壓、并聯(lián)分流的關(guān)系，逐步推理，從已知條件出發(fā)，循著規(guī)律，做出最終判斷。