物理竞赛辅导05电路设计问题和故障问题

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1、电路设计问题一电路设计问题一 1在图的电路中，R 为待测电阻，阻值约为 5 欧。给你的器材有：滑动变阻器（2 安，0 10 欧）；电压表，有 2 个量程，分别为 03 伏、015 伏；电流表，有 2 个量程，分别为 00.6 安、03 安；电池组为新干电池 3 节串联。两只电表的量程可采用以下 4 种选法， 但为使测量时能较准确地读数，最后，两只电表的量程应采用 A00.6 安和 01.5 伏。B03 安和 015 伏。 C00.6 安和 03 伏。D03 安和 03 伏。 思路点拨思路点拨 电学实验中， 为了安全、 准确地测量和读取实验数据， 应该注意正确地选用有关的仪表， 通常最值得注意的

2、有两点： 首先要注意安全， 即被测量的物理量的值不能超过所用仪表允许 测量的最大值(即此仪表的量程)； 其次要使被测量量能尽量清楚准确地显示出来， 这就要求 不能盲目地选用大量程的仪表而应该根据被测量量的大小来选用适当大小量程的仪表， 例如 有量程为 10A 的电流表和量程为 1A 的电流表各一只，要测量约为 08A 的电流的大小，显 然应选用量程为 1A 的电流表来进行测量，如果盲目地选大量程的表而选用了量程为 10A 的 电流表去测量，此时尽管被测电流没有超过此表的量程，是很安全的(即不会因超量程而损 坏电表)，但被测电流相对于此表的满偏电流来说是太小了，则此时电流表的指针将偏转很 少，这

3、是很难将其电流值读准的 结合本题的实验电路和所提供的可供选择的器材来考虑： 电源为 3 节新电池串联， 则其 所能提供的电压为 45V，由于有一滑动变阻器与待测电阻串联，注意到待测电阻约为 5Q， 滑动变阻器最大阻值为 10Q，则通过调节滑动变阻器，可以使待测电阻上的电压在 15V 至 45V 的范围内变化这样，为测量待测电阻两端的电压，电压表的量程应选用 03V(如选 用 015)V 量程， 则测量待测电阻上电压时电压表指针偏转都会太少， 这样读数的误差将太 大而影响实验结果而选用 03V 量程时，则可通过滑动变阻器的调节，使加在待测电阻上 的电压在 3V 以内变化，这样，电压的读数误差就小

4、多了而所测出的待测电阻的阻值，并 不会因为加在它两端的电压小了而不准加在待测电阻两端的电压最大值限制为 3V，则通 过它的电流便被限制在约 06A 之内，所以电流表的量程应选 006A 由上可见，本题的 C 为正确选项。 答案答案：C 2.某医院要安装一种呼唤电铃，使各病床的病人均可单独呼叫，只要一按床头的开关，值班 室的电铃就响，且与该病床相对应的指示灯亮，请在图中画出正确的连接方法。 思路点拨思路点拨 按照要求， 例如甲床头只要按自己的开关， 则值班电铃就响， 与甲床对应的指示灯就亮， 可见，电源、开关、电铃和指示灯四者应连接成一闭合电路而乙床按其所对应的开关时， 则应该同样有电铃响，乙床

5、的指示灯亮而甲床的指示灯不亮可见在总的电路中，应该是将 每个病床的开关与其对应的指示灯连接起来组成一条支路， 将所有这些支路关联起来再与电 源和电铃串联起来 答案答案：如图所示。 电路设计问题二电路设计问题二 做电学实验时需要测量约 0.5 安的电流， 但是实验室内当时只有一个量程为 0.3 安的电 流表。如果手边有 12 伏学生电源、050 欧的滑动变阻器、电炉用的电阻丝，以及导线和 开关， 有什么简单办法可以把电表的量程临时地近似改为 0.6 安？画出电路图， 简述操作步 骤。 思路点拨思路点拨 如图，设有某一很小的电阻与电流表 A 并联，当它们接入 电路中时，通过电流表的电流为 I1，通

6、过电阻 R 的电流为 I2， 通过这一并联部分的总电流为 II1I2显然，若我们把图中虚 线框内的整体视为一个新的电流表 A，则流过原电流表 A 的电 流为 I1时，流过新电流表 A的电流便为 I(II1I2)若 I1为 A 的量程，则 I 便为 A的量程 答案答案:电路图如图 操作步骤： (1)照图连接电路，滑动变阻器的滑片放在电阻最大的位置，开关处于断开状态，电阻 丝的 M 端拧在电流表的一个接线柱上， N 端暂时不连； (2)闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表达到满刻度； (3)试看将电阻丝的不同位置连在电流表的另一个接线柱上，以改变接人电路中电阻丝 的长度， 当电流表达到半偏时(即电流

7、表指针指在满刻度一半的地方时)将这个位置拧紧在接 线柱上 引申拓展引申拓展 平时我们在进行电路计算时，通常都没有考虑电流表的电阻，即认为电流表的电阻是 零事实上，任何一个电流表都有它一定的电阻，只是这个阻值一般都很小(相对于电路中 其它电阻来说)，因此将它忽略不计并不会对计算结果有明显影响而在本题中，要把电流 表的量程扩大，相当于对电流表本身做一次改造，显然这时是不能忽略它的电阻了 本题做法的道理是： 由于电流表的电阻远小于滑动变阻器接入电路的电阻， 则当再以一电阻丝与电流表并联后， 两者并联后的总电阻将比原电流表的电阻更小 而这样对整个电路 来说，由于滑动变阻器的滑片未动，其接入电路的电阻未

8、变，则相当于整个电路的总电阻只 发生了微小的可忽略的变化，即此时通过电路的总电流不变，仍为原来使电流表满偏的电 流而此时电流表显示的数字则只有原来的一半，表明另一半电流是由电阻丝中通过了(由 并联规律可以看到，此时电阻丝接入电路的电阻与原电流表本身的电阻相等)这样，把电 阻丝和原电流表视为一个新的电流表，则这个新电流表的量程便是原电流表量程的 2 倍了 电路设计问题三电路设计问题三 在一次实验中需要测量小灯泡两端的电压和流过它的电流。 聪明而粗心的小刚连接了如 图所示的电路。同组的小林发现有错，主张拆了以后重新连接，可是时间来不及了，小刚眼 珠一转，在图示电路中只增加了一根导线，电路就正常工作

9、了。问： （1）如果闭合图示电路中的开关，电压表的读数约为多少？电流表的读数约为多少？小灯 泡发光情况如何？ （2）在图中画出小刚连接的那条导线。 思路点拨思路点拨 根据实物图，可以画出其对应的电路图,如图此电路为小灯泡与定值电阻串联后再与 电流表并联， 然后这个并联部分再分别与电压表和滑动变阻器串联， 由于电压表的电阻很大， 且它又是串联在电路中，故此时若将开关闭合，通过电路的电流将很小(接近为零)，电源的 全部电压都加在电压表上，由此，电压表的读数将约为 6V，电流表的读数将约为零，小灯 泡将不会发光 由图可以看到， 为使电流表测得的是通过灯泡的电流， 电压表测得的是灯泡两端的电压， 可将

10、上图改接为下图， 在下图中， 由于加接了一条导线而使得小灯泡和定值电阻间成了并联 关系，并且此时正好是电流表测得通过小灯泡的电流而电压表测得小灯泡两端的电压 答案答案: (1)在图的电路中，若闭合开关，电压表的读数约为 6V，电流表的读数约为零，小灯 泡不发光 (2)小刚连接那条导线后的实物图如图所示 有些同学对看电路的实物图不太习惯， 特别是在这样的图上来分析电路中的有关变化关系更感棘手而对于普通的电路图则较为熟悉，因此，在遇到有关实物图的问题时，不妨如 本题画出其对应的电路图再来进行分析和求解 电路设计问题四电路设计问题四 太阳能晒水箱中的水在冬天往往温度不够高，同学们在水箱中加装了一个“

11、220V， 2000 W”的电热管，并利用一个“6V， 1W”的小灯泡和一段 10/m 的电阻丝，为电热 管安装了一个指示灯。 （1）画出电热管及指示灯的电原理图。 （2）在同学们的方案中，小灯泡两端的电压是按 5V 设计的。对于指示灯来说，这样设计 有什么好处？ （3）按上述设计，电阻丝需截用多长的一段？ （4）安装指示灯后，电热管的实际功率是额定功率的百分之几？ 计算中可以认为电热管、小灯泡及电阻丝的电阻不随温度发生明显变化. 思路点拨思路点拨 小灯泡作为电热管的指示灯， 应该是电热管工作(电热管中有电流通过)时， 小灯泡发亮， 电热管不工作(电热管中没有电流)时， 小灯泡不发亮， 即小灯

12、泡中的电流应随电热管中的电 流有无而有无为满足这一要求，应将小灯泡和电热管串联 另一方面， 还应该注意一下电热管和小灯泡正常工作时通过各自的电流大小 电热管正 常工作时，通过它的电流大小为 AAUPI9220200011 1小灯泡正常工作时通过它的电流大小为 AAUPI17. 06122 2比较上述的 I1和 I2可知， 不可以将小灯泡和电热管简单地串起来就接在 220V 的电路中 (如果这样， 通过小灯泡的电流必超过其额定电流而使小灯泡烧毁)， 为使上述的串联关系成 立而又不致使通过小灯泡的电流过大， 可以设法取另一电阻与小灯泡并联， 只要这一电阻的 大小取值恰当， 便可将由电热管流来的电流

13、分流出一部分而使通过小灯泡的电流不超过其额 定电流 答案答案: (1)电热管及指示灯的电原理图如图所示 (2)指示灯两端的电压按 5V 设计，则实际工作时通过小灯泡的电流略小于小灯泡的额 定电流，这样可以延长指示灯的使用寿命 (3)由公式RUP2 得电热管的电阻为 4 .24200022022 1 1RUR 电热管两端的实际电压 U1220V5V215V 通过电热管的实际电流为884. 82 .24 21511 1ARUI 小灯泡的电阻3616222 2 2PUR 通过小灯泡的实际电流AARUI 139. 036522 2通过电阻丝的电流为 I3I1I28884A0.139A8.745A 电阻

14、丝的电阻值为572. 0745. 8533 3IUR 则所用电阻丝的长度应为mml057. 010572. 0(4)由电功率的公式RUP2 可知同一电阻在不同电压下其电功率与电阻两端电压的平方成正比，故知此时电热管的实际功率与其额定功率的比值为 %96%100)220215()(2211UUPP 引申拓展引申拓展 对于本题， 有同学设计了如上图的电路， 这一电路虽保证了电热管两端的电压为额定电 压，但指示灯却不能显示电热管是否在正常工作指示灯不亮时是指示灯所在支路中无 电流，这时有两种可能：一种可能是整个电路的干路出故障， 电热管两端无电压，电热管不工作；另一种可能是指示灯所 在支路断路，但电

15、路其他部分完好，则电热管仍能正常工作 指示灯亮时，表示指示灯所在支流中有电流通过，这最多也 只能表示电热管两端有电压，却不能表示电热管中有无电流 通过，即不管电热管处是通路还是断路，指示灯都能正常发 光所以，上图的设计是不符合要求的 电路故障问题一电路故障问题一 1如图所示，闭合电健，两个灯泡都不亮，电流表指针几乎未动，而电压表指针有明显偏 转，该电路的故障可能是 ( ) A电流表坏了或未接好： B从 a 经过 L1到 b 的电路中有断路。 CL2灯丝烧断灯座未接通。 D电流表和 L1、L2都坏了。 思路点拨思路点拨 在图的电路中，闭合开关后，电压表指针有明显的偏转(电压表的偏转实质上是由于 其内有电流通过，不过通常通过电压表的电流都很小而已)，表明至少由电源正极一开关一 电流表一电压表一灯泡 L2 一电源负极所构成的回路是导通的， 但电流表的指针又几乎不动， 表明此回路中的电流极其微小(因此也不能使灯泡 L2 发光) 就题述提供的各种可能故障看来，如果是电流表坏了或者未接好，或者是 L2 的灯丝烧 断或者灯座未接通，或者是电流表和灯泡 L1、L2 都坏了，这几种情况都会导致上述的回路 不导通，则电压表的指针根本不会发生转动，故以上几种故障都是不可能的，而若是从 a 经过 L1 到 b 的电路中有断路现象，则电路的电流只能由前述的回路中通过，由于电压表的 电阻很大，故此时电流是