第一节 常见的电路元器件
第二节 闭合电路的欧姆定律
一、识别几种常见元器件
1.电阻器:
(1)分为阻值固定的电阻器和阻值可变的电阻器。
(2)在电路图中,用字母“R”及符号“”表示。
2.电感器:
(1)由绝缘导线绕成,通过电磁感应能把外部电路的电能储存在电感器内部的磁场中。
(2)在电路图中用字母“L”及符号“”或“”表示。
3.二极管:
(1)在电路中,只允许电流由单一方向通过,反向时阻断。
(2)在电路图中,用字母“D”及符号“”表示,箭头表示正向电流的方向。
二、电动势
市面上有形形色色的电池,它们产生电能的“本领”一样吗?如何比较不同电池发电“本领”的高低呢?
提示:不一样。通过比较电动势判断产生电能“本领”的高低。
1.闭合电路:由导线、电源和用电器连成的电路叫作闭合电路。用电器和导线组成外电路,电源内部是内电路。
2.非静电力的作用:在电源内部,非静电力把正电荷从负极搬运到正极,在该过程中非静电力做功,使电荷的电势能增加,将其他形式的能量转化为电势能。
3.电动势:
(1)定义:在电源内部,非静电力把正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功W与被移送电荷q的比值。
(2)公式:E=
(3)单位:伏特,简称:伏,符号:V。
(4)物理意义:反映电源非静电力做功本领大小的物理量。
(5)影响电动势大小的因素有:①
①非静电力的性质 ②电源的体积
③外电路结构
④电源的新旧程度
提醒:电动势的单位与电压的单位相同,但是两者是截然不同的两个概念。
三、闭合电路欧姆定律
1.内阻:通常在电源内部也存在电阻,内电路中的电阻叫作内阻。
2.闭合电路的电势:
(1)在外电路中沿电流方向电势降低(选填“升高”或“降低”)。
(2)在内电路中沿电流方向电势升高(选填“升高”或“降低”)。
3.闭合电路欧姆定律:
(1)内容:闭合电路的电流跟电源的电动势成正比,跟内、外电路的电阻之和成反比。
(2)表达式:I=。
(3)适用条件:外电路为纯电阻电路。
四、路端电压与负载的关系
1.负载和路端电压:负载是外电路中的用电器,路端电压是外电路的电压。
2.路端电压U与电流I的关系:
(1)路端电压U与电流I的函数关系式:U=E-Ir。
(2)U-I图像:如图所示,该直线与纵轴交点的纵坐标表示电动势,斜率的绝对值表示电源的内阻。
3.路端电压与外电阻的关系:当R增大时,路端电压U增大,当R减小时,路端电压U减小。
4.两种特殊情况:
(1)当外电路断路时,外电阻R为无穷大,I为零,Ir也为零,可得U=E,即外电路断路时的路端电压等于电源电动势的大小。
(2)当外电路短路时,外电阻R=0,此时电路中的电流最大,即Im=,路端电压为零。
(1)电动势与电势差实质上是一样的。
(×)
(2)在电源内部,正电荷向正极移动过程中,电场力做负功,电荷电势能增加。
(√)
(3)所有的电源,均是将化学能转化为电能的装置。
(×)
(4)E=U+Ir适用于任何电路。
(√)
(5)外电路短路时,电路中的电流无穷大。
(×)
(6)电源断路时,电流为零,所以路端电压也为零。
(×)
关键能力·合作学习
知识点一 电动势
1.对电动势的理解:利用抽水机类比电源。类比可知,抽水机对水的作用力相当于非静电力,抽水机对水做功相当于非静电力做功,重力相当于静电力,重力势能相当于电势能,抽水机相当于电源。
抽水机抽水
抽水机外A→B
水从高处流向低处
水的重力做正功
重力势能转化为其他形式的能
抽水机内B→A
水从低处被抽到高处
抽水机对水做正功
其他形式的能转化为重力势能
电源供电
电源外部正极→负极
正电荷从高电势处向低电势处运动
电场力做正功
电能转化为其他形式的能
电源内部负极→正极
正电荷由低电势处被移到高电势处
非静电力做正功
其他形式的能转化为电能
提醒:与抽水机类比,电动势相当于抽水机的抽水高度。
2.电动势与电势差的区别:
电压(电势差)UAB
电源电动势E
意义
表示静电力做功,将电能转化成其他形式的能的本领
表示非静电力做功,将其他形式的能转化成电能的本领
定义
UAB=,将单位电荷量的正电荷从导体一端移到另一端时,静电力做的功
E=,将单位电荷量的正电荷在电源内从负极移到正极时,非静电力做的功
决定因素
由电源及导体电阻、导体连接方法决定
由电源本身决定,与其他因素无关
测量方法
将电压表并联在被测电路两端
将内阻很大的电压表并联在电源两端,且外电路断开
联系
电路闭合时,E=U内+U外 电路断开时,E=U外
提醒:电势差的正负有一定的物理意义,而电动势一般只取正值。
【典例】有一铅蓄电池,在其内部将2×10-5
C的电子从正极移到负极需要3×10-2s的时间,此过程中非静电力做功为4×10-5
J,则该铅蓄电池的电动势是多少?给一小灯泡供电,供电电流是0.2
A,供电10
min,非静电力做功是多少?
【解析】电动势E==
V=2
V,
非静电力做的功W′=Eq=EIt=2×0.2×60×10
J=240
J。
答案:2
V 240
J
如图所示为一块手机电池的背面印有的一些符号,下列说法正确的是
( )
A.该电池储存的最大电能为500
mA·h
B.该电池储存的最大能量为1.8
J
C.该电池在工作1小时后达到的电流为500
mA
D.若电池以10
mA的电流工作,可用50小时
【解析】选D。500
mA·h表示电池的容量,不是储存的电能,故A错误;
该电池储存的最大能量为3.6×500×10-3×3
600
J=6
480
J,故B错误;可以由电池容量计算电池在一定放电电流下使用的时间,由500
mA·h=t×10
mA可得t=50
h,手机电池工作时的电流很小,远小于500
mA,故C错误,D正确。
【加固训练】
对于电动势的定义式E=的理解正确的是
( )
A.E与W成正比
B.E与q成反比
C.E的大小与W、q无关
D.W表示非静电力
【解析】选C。电动势是描述电源非静电力搬运电荷本领大小的物理量,与W、q无关,故A、B项错误,C项正确;公式中W表示非静电力做的功,故D项错误。
知识点二 闭合电路的欧姆定律
1.闭合电路欧姆定律的表达式:
表达式
物理意义
适用条件
I=
电流与电源电动势成正比,与电路总电阻成反比
纯电阻电路
E=I(R+r)①E=U外+Ir②E=U外+U内③
电源电动势在数值上等于电路中内、外电压之和
①式适用于纯电阻电路;②③式普遍适用
提醒:闭合电路欧姆定律的常用表达式较多,但是本质是相同的,应注意它们之间的联系。
2.路端电压与负载的关系:
(1)路端电压与外电阻的关系:
①公式:U=E-U内=E-r。
②特点:由公式可知,随着外电阻增大,路端电压增大。当外电路断路时(外电阻无穷大),路端电压U=E;当外电路短路时(外电阻等于零),路端电压U=0。
(2)路端电压与电流的关系:
①公式:U=E-Ir。
②电源的U-I图像:如图所示是一条倾斜的直线。
结合公式可知,图像中U轴截距表示电源电动势E,I轴截距I0等于短路电流,斜率的绝对值表示电源的内阻r。
【典例】如图所示的电路中,电源电动势E=1.5
V,内阻r=0.6
Ω,电阻R1=3
Ω,电阻R2=4
Ω,电阻R3=6
Ω。电压表为理想电表,闭合开关S,求:
(1)通过电源的电流大小;
(2)电源的内电压和电压表的示数。
【解析】(1)R2、R3并联后与R1串联,则R2、R3并联电阻:
R23==2.4
Ω
干路电流I==0.25
A。
(2)电源的内电压Ur=Ir=0.15
V。
电压表的示数即为R3、R2的并联电压,
U=IR23=0.6
V。
答案:(1)0.25
A (2)0.15
V 0.6
V
1.(多选)如图所示,甲、乙为两个独立电源(外电路为纯电阻电路)的路端电压与通过它们的电流I的关系图线,下列说法中正确的是
( )
A.路端电压都为U0时,它们的外电阻相等
B.电流都是I0时,两电源的内电压相等
C.电源甲的电动势大于电源乙的电动势
D.电源甲的内阻小于电源乙的内阻
【解析】选A、C。甲、乙两图线的交点坐标为(I0,U0),路端电压与干路电流均相等,说明两电源的外电阻相等,故A项正确;图线的斜率的绝对值表示电源内阻,图线甲的斜率的绝对值大于图线乙的斜率的绝对值,表明电源甲的内阻大于电源乙的内阻,故D项错误;图线与U轴交点的坐标值表示电动势的大小,由图线可知,电源甲的电动势大于电源乙的电动势,故C项正确;电源的内电压等于通过电源的电流与电源内阻的乘积,即U内=Ir,因为电源甲的内阻比电源乙的内阻大,所以当电流都为I0时,电源甲的内电压较大,故B项错误。
2.一个电源和一个电阻箱组成的电路如图所示,把R由2
Ω改变为6
Ω时,流过电源的电流减小到原来的一半,则电源的内阻应为
( )
A.4
Ω B.8
Ω C.6
Ω D.2
Ω
【解析】选D。根据闭合电路欧姆定律,分别列出R变化前后电流的表达式,运用比例法求出电源的内电阻。设电源的内阻为r,则根据闭合电路欧姆定律,得I1=,I2=,由题有I2=,联立得:2(R1+r)=R2+r,代入解得r=2
Ω,故选D。
【加固训练】
如图所示,当开关S断开时,电压表示数为3
V,当开关S闭合时,电压表示数为1.8
V,则外电阻R与电源内阻r之比为
( )
A.5∶3 B.3∶5 C.2∶3 D.3∶2
【解析】选D。S断开时,电压表的示数等于电源的电动势,即E=3
V。S闭合时,
U外=1.8
V,所以U内=E-U外=1.2
V。因U外=IR,U内=Ir,所以R∶r=U外∶U内=1.8∶1.2=3∶2,故D项正确。
情境·模型·素养学
为了充分利用旧电池,小明使用一节新电池搭配一节旧电池共同为手电筒供电。已知新旧电池的电动势均为1.5
V,新电池内阻为1
Ω,旧电池内阻为8
Ω,手电筒采用的灯泡参数为“3
V 6
Ω”。
探究:
(1)利用新旧电池供电时,流过灯泡的电流是多少?只利用一节新电池给灯泡供电时,流过灯泡的电流是多少?
(2)结合计算结果思考,新旧电池能否搭配使用呢?
【解析】(1)由题意结合闭合电路欧姆定律知,新旧电池供电时,电路中的电流为:
I1==0.2
A
只用一节新电池供电时,电路中的电流为:
I2=≈0.214
A
(2)新旧电池供电时的电流反而不如只用一节新电池供电时电流大,故新旧电池不能搭配使用。
答案:(1)0.2
A 0.214
A (2)不能
如图所示是某温控装置的简化电路图,工作电路由电压为220
V的电源和阻值R=88
Ω的电热丝组成;控制电路由电源(内阻不计)、电磁铁(线圈电阻R0=
20
Ω)、开关、滑动变阻器R2(取值范围0～80
Ω)和热敏电阻R1组成;R1阻值随温度变化的关系如表所示,当控制电路电流I≥50
mA时,衔铁被吸合
切断工作电路;当控制电路电流I≤40
mA时,衔铁被释放接通工作电路。
温度/℃
90
80
66
60
50
46
40
36
35
R1/Ω
10
20
40
50
70
80
100
120
130
探究:
(1)工作电路正常工作时,工作电流是多少?
(2)当温度为60
℃,滑动变阻器R2=50
Ω时,衔铁恰好被吸合,控制电路的电源电压是多少?
【解析】(1)工作电路由电压为220
V的电源和阻值R=88
Ω的电热丝组成,则工作电流为I==2.5
A;
(2)当温度为60
℃时,由表格数据可知R1=50
Ω,已知此时滑动变阻器R2=50
Ω,则控制电路的总电阻为:R总=R1+R2+R0=50
Ω+50
Ω+20
Ω=120
Ω,此时衔铁恰好被吸合,则控制电路的电流为:I=50
mA=0.05
A,由欧姆定律可得,控制电路的电源电压为:U=IR总=0.05
A×120
Ω=6
V;
答案:(1)2.5
A (2)6
V
课堂检测·素养达标
1.(2020·宿州高二检测)关于电压和电动势,下列说法正确的是
( )
A.电动势是反映电源把其他形式的能转化为电能本领的物理量
B.电动势就是电源两极间的电压
C.电压和电动势单位相同,所以电动势和电压物理意义相同
D.电源电动势定义式E=和电势差定义式U=中的W都是电场力做的功
【解析】选A。电动势是表征电源把其他形式的能转化为电势能本领的物理量,故A正确。当外电路断开时,电动势大小等于电源两极间的电压,故B错误.。电压和电动势单位相同,但电动势和电压物理意义不相同,电动势反映电源的特性,与外电路的结构无关,故C错误。电源电动势定义式E=中的W是指非静电力做的功,电势差定义式U=中的W是指电场力做的功,故D错误。故选A。
2.如图所示电路中,电源电动势E=9
V,内阻r=3
Ω,R=15
Ω,下列说法中正确的是
( )
A.当S断开时,UAC=9
V
B.当S闭合时,UAC=9
V
C.当S闭合时,UAB=7.5
V,UAC=9
V
D.当S断开时,UAB=0,UBC=0
【解析】选A。当S断开时,UAC与UBC为路端电压,等于电源电动势,A正确,D错误;当S闭合时,UAC=UAB=R=7.5
V,UBC=I×0=0,B、C错误。
3.如图所示电路中,电源电动势E=12
V,内阻r=2
Ω,R1=4
Ω,R2=6
Ω,R3=3
Ω。
(1)若在C、D间连一个理想电压表,其读数是多少?
(2)若在C、D间连一个理想电流表,其读数是多少?
【解析】(1)若在C、D间连一个理想电压表,根据闭合电路欧姆定律,有I1==
A=1
A。
理想电压表读数为UV=I1R2=6
V。
(2)若在C、D间连一个理想电流表,这时电阻R2与R3并联,并联电阻大小
R23==
Ω=2
Ω
根据闭合电路欧姆定律,有
I2==
A=1.5
A
U3=E-I2(r+R1)=3
V
理想电流表读数为I==1
A。
答案:(1)6
V (2)1
A
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12
-第五节 家庭电路与安全用电
必备知识·自主学习
一、家庭用电
1.家用电器:
(1)简称家电,包括电视机、空调机、电冰箱、洗衣机、录像机、音响系统、微波炉、电磁炉、电热水壶、电饭煲、电风扇、电暖器等。
(2)家电的总体发展趋势是逐步实现数字化、智能化和网络化。
(3)家电一般包含控制部分、工作部分和安全部分。控制部分用于控制家电的运转,工作部分是实现家电功能的核心,安全部分则用于防止各种原因损害家电或者造成事故。
2.家庭电路的组成:一般由供电电路、电能表、总开关、保险设备、插座、导线、用电器等组成,如图所示:
3.电能表:
供电线路在接其他元件之前,首先接在电能表上。电能表用来测量用户在一定时间内消耗的电能。
4.总空气开关:
空气开关又叫空气断路器,是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的装置。总空气开关安装在电能表之后,专线空气开关之前。
5.插座:
在家庭电路中插座是为了给可移动电器供电,分为固定插座和可移动插座,又可分为两孔插座和三孔插座,三孔插座的两个孔分别接火线和零线,另一孔是接地的,这样在把三脚插头插入时,会把用电器的金属外壳和大地连接起来。
6.用电器:
各用电器之间并联连接,使各用电器两端的电压均为220
V,用电器的控制开关要接在火线上,不允许接在零线上,大功率家电需要用专线连接。
二、安全用电
1.电能表和供电导线应与所用的家电匹配。
2.为安全起见,最好使用固定插座。
3.电源插头应该与插座匹配。
4.使用三脚插头的电器比两脚插头的电器更安全。
三、节约用电与环境保护
我国每年因电视机待机所消耗的电能就达2.5×109
kW·h,相当于250万盏1
kW的灯昼夜不停点亮多少天?
提示:2.5×109
kW·h的电能相当于一盏1
kW的灯昼夜不停点亮2.5×109
h,如果是250万盏灯可点亮1
000
h,按一天24
h算大约为41天。
1.节约用电:
家用电器的选择要根据家庭人口和实际需要,不要盲目地追求大型化;应该参考能效标识,选择高能效节能产品,减少能源消耗和对环境的污染;合理配置照明电器,尽量选用发光效率高的节能光源。家电的使用应符合节约用电的原则,养成良好习惯,例如电器停止使用时要及时切断电源等。
2.环境保护:
科学地回收和循环利用淘汰的家电,既可以减少环境污染,又能产生良好的经济效益。
(1)用电器的电功率越大,电流做功越多。
(×)
(2)功率是1
kW的空调正常工作一小时所消耗的电能是1
J。
(×)
(3)选择熔丝时,应该使它的额定电流等于或稍小于电路的最大正常工作电流。
(×)
(4)在选择电线时,应该使电线的安全电流稍大于最大正常工作电流。
(√)
(5)当出现短路故障时,漏电保护器会自动切断电路。
(×)
关键能力·合作学习
知识点一 家庭电路和用电故障
1.家庭电路组成:
(1)一般组成框图。
(2)进户线。
①火线:火线跟零线间的电压是220
V。
②零线:零线是与大地相连的,正常情况下零线跟大地之间的电压是0
V。
③地线:在家庭里直接与大地相通的导线,这是为了安全另外加接的。火线与地线之间的电压是220
V,零线与地线之间的电压是0
V。
2.故障处理:
(1)短路故障的处理:查明短路原因并排除故障后换上同样的熔丝,绝对不能换用比原来粗的熔丝或者其他材料的金属丝。
(2)断路故障的处理:一般情况是接线螺丝松脱、电线接头处接触不良、导线断裂等。在确认电源没有停电的情况下,可以使用测电笔逐段排查断路点。使用测电笔时要注意安全,手绝对不能接触笔尖的金属部分。
(3)漏电故障的处理:仔细检查灯座、吊线盒、开关、插座等容易漏电处,再检查电线连接处、电线穿墙处、电线转弯处等电线绝缘层容易受损的部位。
【典例】某家庭要安装一套家庭供热水系统。所选用电热水器的技术参数中标有:“加热功率/电压3
800
W/220
V”。若需要为电热水器安装一个熔断器,参考下列数据并通过计算说明,应该选择多大直径的熔丝?
常用铅锡合金熔丝的技术数据(铅95%,锡5%)
额定电流I/A
2
2.6
3.3
4.8
7
11
15
18
22
直径d/mm
0.508
0.61
0.71
0.915
1.22
1.63
2.03
2.34
2.65
【解析】P=3
800
W,U=220
V,I==
A≈17.27
A,
查表可得,应选用直径为2.34
mm、额定电流为18
A的熔丝。
答案:2.34
mm
1.如图所示,闭合电键S后,发现电灯L不亮,且保险丝没有熔断。某同学测试灯头的两根电线C、D,发现这两处都能使测电笔的氖管发光,再用测电笔测试火线A和零线B时,氖管在测火线A时能发光,在测零线B时不发光。那么可以判定故障是
( )
A.火线和零线短路
B.电灯L短路
C.电线AC段某处断路
D.电线BD段某处断路
【解析】选D。用排除法来判断,如果火线和零线短路或电灯L短路,都会使电路中电流过大,造成保险丝熔断,故A、B不符合题意;若AC段某处断路,会使C与火线脱离接触,就不会使测电笔的氖管发光,而BD段某处断路一方面造成灯泡不能发光,另一方面D点通过灯丝与火线连通,能使氖管发光。
2.(2020·广州高二检测)下列所述的情况,会造成家庭电路短路的是
( )
A.将插座串联在火线上
B.将电灯的开关装在了零线上
C.当用电器不经过开关就直接连在电源上
D.用钢丝钳同时将连接着火线和零线的双绞线剪断
【解析】选D。家庭电路中各用电器并联连接,互不影响,当将插座串联在火线上,不会将火线和零线连在一起,但电路不正常,故A错误;将电灯的开关装在了零线上,电灯能正常发光,但不安全,故B错误;当用电器不经过开关就直接连在电源上,不会形成电源短路,但不安全,故C错误;钢丝钳同时将连接着火线和零线的双绞线剪断,因此将火线与零线连通,会形成电源短路,故D正确。
常见故障处理方法
(1)短路故障的处理:查明短路原因并排除故障后换上同样的熔丝,绝对不能换用比原来粗的熔丝或者其他材料的金属丝。
(2)断路故障的处理:一般情况是接线螺丝松脱、电线接头处接触不良、导线断裂等。在确认电源没有停电的情况下,可以使用测电笔逐段排查断路点。使用测电笔时要注意安全,手绝对不能接触笔尖的金属部分。
(3)漏电故障的处理:仔细检查灯座、吊线盒、开关、插座等容易漏电处,再检查电线连接处、电线穿墙处、电线转弯处等电线绝缘层容易受损的部位。
【加固训练】
小宇同学准备检查生活用电线路是否有问题,他先断开所有用电器和总开关,然后将火线上的保险丝取下,换上一只额定电压为220
V的灯泡,闭合总开关,发现灯泡正常发光。由此判新
( )
A.线路安装完全正确,因为灯泡正常发光
B.线路安装不正确,电路中有短路
C.线路安装不正确,电路中有断路
D.仅由此不能判断线路是否有问题
【解析】选B。保险丝与用电器是串联连接的,将火线上的保险丝取下,换上的灯泡与电路中原来的用电器也是串联的。如果原来的电路没有问题,那么它们的总电压是220
V,这个换上的灯泡因实际电压低于额定电压而不能正常发光,现在发现这个换上的灯泡正常发光,说明它的电压就是220
V,也就是原来的用电器两端电压为零,即电路中有短路。
知识点二 家庭安全用电及节约用电
1.家庭安全用电必须注意以下几点:
(1)高度重视,谨防触电:接触、搬运电器时,头脑中要时刻想着避免触电,不能大意;要定期检查用电器的插头,大功率用电器的插头极易因过热而损坏,更要注意。
(2)避免短路:短路时电路中的电流非常大,轻则电源、电线烧毁,重则发生火灾,酿成大祸;从插座拔出插头时要手握插头,切勿用力拉扯电线,以免电线绝缘皮破损或插座接头脱落,形成短路。
(3)电器金属外壳应该接地线:容易潮湿的电器如洗衣机等更要接地。
(4)避免大功率电器同时使用:不要在同一插座上同时使用几个大功率的用电器,以免流过插座的电流太大,引起火灾。
(5)避免火灾:不要让纸张等易燃物过分靠近电灯、电饭锅、电炉等。
2.节约用电:
(1)养成良好的用电习惯,记住随手关闭不使用的用电器。
(2)节约用电,坚持可持续发展。
【典例】当李老师最后离开计算机机房要去关闭总电闸时,发现电能表(如图所示)的转盘仍在缓慢地转动。他用手表粗略地估测了一下。1
min转盘转动了5
r。经检查发现,原来机房内还有20台电脑显示器处于待机状态。请你算算1台电脑显示器的待机功率约为多大?并就此问题联系实际谈谈在日常生活中如何节约用电?
【解析】20台电脑显示器消耗的电能W=×3.6×106
J=6×103
J
1台电脑显示器消耗的电能W′===300
J
1台电脑显示器的待机功率P==
W=5
W
节约用电要从小事做起,如平时不使用电视时,最好要关闭电源,不要使其处于待机状态。
答案:5
W 见解析
1.在家庭安全用电中,下列做法正确的是
( )
【解析】选B。A项中,负载过大可能烧坏接线插板,引起短路,甚至引起火灾,该做法错误,故A错误。B项中,发生火灾后,若不先切断电源就用水浇灭电火,火会灭,但此时人若接触到水,就会触电,发生更大的危险,即使是使用泡沫灭火器,也要先断电,因为泡沫也导电。所以遇到火灾时,先切断电源是正确的做法,故B正确。C项中,如果用钢丝代替熔丝,当电路短路或者用电量增大时,不容易熔断,会造成火灾隐患,这种做法错误,故C错误。用手抓电线拔出插头,容易把插头里面的线扯坏,有时会把绝缘层弄坏致使触电,所以这种做法不正确,故D错误。
2.(2020·汕头高二检测)教室里有“220
V 40
W”的电灯8盏,“220
V 60
W”的电风扇6台,还常使用一台“220
V 120
W”的投影仪,那么教室里应选用的保险丝的规格为
( )
A.额定电流为1
A的保险丝
B.额定电流为3
A的保险丝
C.额定电流为5
A的保险丝
D.额定电流为10
A的保险丝
【解析】选C。由题可知,教室共有8盏40
W的白炽灯,6台60
W的电风扇,一台120
W的投影仪,它们的总功率为P=40×8
W+60×6
W+120×1
W=800
W,因为P=UI,所以电路中总电流I==
A≈4
A,保险丝允许通过的最大电流应略大于4
A,故选C。
【加固训练】
小明家新购微波炉一台,铭牌如图所示,他家为此铺设了专用电线,此专用电线上应该安装额定电流为__________的熔丝。?
电源:220
V 50
Hz额定功率:800
W 500
W 800
W生产日期:2020.9.1
【解析】用电器的总功率为:P=(800+500+800)
W=2
100
W,
由公式:P=UI得,
I==
A≈9.5
A,即应选10
A的熔丝。
答案:10
A
情境·模型·素养
很多家用电器都有待机功能,比如电视可以用遥控器关机而不必断开电源。这一功能虽给人们带来了方便,但电器在待机状态下仍有能耗。表中是小明家两台电器的数据统计。
探究:
(1)这两台电器每天待机共耗电多少度?
(2)若能及时断开电源,他家每月可以节约多少电费?(电价为0.5元/度,每月按30天计算)
家用电器
待机功率P/kW
每天平均待机时间t/h
电视
0.008
20
机顶盒
0.012
22
【解析】(1)电视每天待机耗电:
W1=0.008×20度=0.16度,
机顶盒每天待机耗电:
W2=0.012×22度=0.264度,总共每天耗电0.424度。
(2)若能及时断开电源,每月可节约电费:
0.424×30×0.5元=6.36元。
答案:(1)0.424度 (2)6.36元
相距11
km的A、B两地用两根导线输电,由于受暴风雨影响,在两地之间某处一棵树倒在两根导线上造成故障,工人师傅为查明事故地点,先在A地两端加
12
V电压,在B地两端测得电压10
V,在B地两端加12
V电压后,在A地两端测得电压4
V。
探究:故障处距A地多远?
【解析】设A到大树处两段导线的总电阻是RA,B到大树处两段导线的总电阻是RB,大树电阻是R0,
A地加电压12
V,串联电路中电压和电阻成正比,故:
=
①
B地加电压12
V,故=
②
由①②得:=
A到大树处的距离是sA,B到大树处的距离是sB=11
km-sA,根据电阻定律,电阻与长度成正比,故:==
解得:sA=1
km。
答案:故障处距A地1
km
课堂检测·素养达标
1.(多选)关于安全用电,下列说法正确的是
( )
A.不用手或导电物去接触、探试电源插座内部
B.可以用湿布擦拭电器
C.电器使用完毕后应拔掉电源插头
D.发现有人触电要设法及时切断电源
【解析】选A、C、D。若用手或导电物去接触、探试电源插座内部,容易引起短路,故A正确;用湿布擦拭电器容易发生触电事故,故B错误;电器使用完毕后应拔掉电源插头,可以消除安全隐患,故C正确;发现有人触电要设法及时切断电源,保证人身安全,D正确。
2.关于家庭线路的安装,下列说法不正确的是
( )
A.照明线不要与插座线合用
B.所有插座线均要通过漏电保护器
C.开关应控制火线
D.火线、零线都安装保险丝
【解析】选D。
照明线若与插座线合用有安全隐患,故A正确;插座线通过漏电保护器,能保护家用电器,故B正确;开关控制火线,以免发生漏电事故,故C正确;保险丝应安装在火线上,故D错误。
3.某同学为测量家里一盏灯的实际功率,他只开这一盏灯,观察电度表转盘在
3
min内转了9转,若每千瓦时该表转3
000转,则这只灯泡的实际功率为
( )
A.30
W
B.60
W
C.600
W
D.120
W
【解析】选B。消耗的电能W=×3.6×106
J=1.08×104
J,灯泡的实际功率P==
W=60
W。
【加固训练】
电冰箱工作时,应当使用图中的________插座,这是为了使电冰箱的外壳接地,保证安全工作。表中是某电冰箱的部分技术参数,它正常工作时,使用的是__________电源(选填“交流”或“直流”),电压是__________V,若压缩机连续正常工作1
h,将消耗电量__________kW·h。?
额定电压
频率
额定功率
容积
220
V
50
Hz
200
W
180
L
【解析】为了防止触电,使用的插座应选用有接地线的三孔插座,即图中的乙,这样能把电冰箱的外壳连接大地,保证安全工作。由表中的标称值可知冰箱使用的是频率为50
Hz
的交流电源;电冰箱电压为220
V,正常工作1
h消耗的电能:W=Pt=0.2
kW×1
h=0.2
kW·h。
答案:乙 交流 220 0.2
4.(多选)(2020·深圳高二检测)关于家庭安全用电,下列做法正确的是
( )
A.所有家用电器都使用二孔插座
B.用湿抹布擦工作中的电器上的灰尘
C.家用电器使用时需考虑供电电线的粗细
D.将多个大功率电器接在同一个移动插座上并同时使用
【解析】选C。家用电器有的使用二孔插座,有的使用三孔插座,故A错误;当用湿抺布擦去工作中电器上的灰尘时,电器正在工作,会导致电路短路烧毁,故B错误;家用电器使用时需考虑供电电线的粗细,避免负载太大,烧毁导线,故C正确;消毒碗柜、电饭煲和电冰箱等大功率电器不能同时使用同一个移动插座,原因是负载太大,会导致插座烧毁,故D错误;故选C。
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10
-第四节 练习使用多用电表
实验必备·自主学习
一、实验目的
1.了解多用电表的构造和原理,掌握多用电表的使用方法。
2.会使用多用电表测电压、电流及电阻。
3.会用多用电表探索黑箱中的电学元件。
二、实验器材
多用电表、电学黑箱、直流电源、开关、导线若干、小灯泡、二极管、定值电阻(大、中、小)三个。
三、实验原理与设计
1.外部构造:
(1)转动选择开关可以使用多用电表测量电流、电压、电阻等。
(2)表盘的上部为表头,用来表示电流、电压和电阻的多种量程。
(3)由于多用电表的测量项目和量程比较多,而表盘的空间有限,所以并不是每个项目的量程都有专门的标度,有些标度就属于共用标度,图中的第二行就是交、直流电流和直流电压共用的标度。
2.二极管的特点及其电阻测量:晶体二极管是由半导体材料制成的,它有两个极,一个叫正极,一个叫负极,它的符号如图甲所示。
晶体二极管具有单向导电性(符号上的箭头表示允许电流通过的方向)。当给二极管加正向电压时,它的电阻很小,电路导通,如图乙所示;当给二极管加反向电压时,它的电阻很大,电路截止,如图丙所示。
实验过程·探究学习
实验步骤
1.机械调零:使用前若指针没有停在左端“0”位置,要用螺丝刀转动指针定位螺丝,使指针指零。
2.测量电压:
(1)选择合适的直流电压挡量程。
(2)将多用电表与被测电路并联,注意红表笔接触点的电势应该比黑表笔高。
(3)读数时,首先要认清刻度盘上的最小刻度。
3.测量电流:
(1)选择合适的直流电流挡量程。
(2)将被测电路导线卸开一端,把多用电表串联在电路中,注意电流应该从红表笔流入多用电表。
4.测量定值电阻:
(1)选挡:估计待测电阻的大小,旋转选择开关,使其尖端对准欧姆挡的合适挡位。
(2)欧姆调零:将红、黑表笔短接,调整欧姆调零旋钮,使指针指在表盘右端“0”刻度处。
(3)测量读数:将两表笔分别与待测电阻的两端接触,指针示数乘以量程倍率即为待测电阻的阻值。
(4)测另一电阻时重复(1)(2)(3)。
(5)实验完毕,把表笔从插孔中拔出,并将选择开关置于
“OFF”挡,若长期不用,应把电池取出。
数据收集与分析
1.测电阻时,电阻值等于表针的示数与倍率的乘积。指针示数的读数一般读两位有效数字。
2.如果所读表盘的最小刻度为1、0.1、0.001等,读数时应估读到最小刻度的下一位;若表盘的最小刻度为0.2、0.02、0.5、0.05等,读数时只读到与最小刻度位数相同即可。
1.多用电表的选择开关对应的数字含义相同吗?
(科学态度与责任)
提示:不相同。当选择开关指向电压挡或电流挡时,其对应的数字代表量程,当选择开关指向电阻挡时,其对应的数字代表倍率。
2.当用多用电表测电阻时,发现指针偏角太大,那么我们是更换大倍率还是小倍率?
(科学态度与责任)
提示:指针偏角太大说明电阻示数太小,应换小倍率。
误差分析
1.偶然误差
(1)估读时易带来误差。
(2)表头指针偏转过大或过小都会使误差增大。
2.系统误差
(1)电池用旧后,电动势会减小,内阻会变大,致使电阻测量值偏大,要及时更换电池。
(2)测电流、电压时,由于电表内阻的影响,测得的电流、电压值均小于真实值。
注意事项
1.使用前要机械调零。
2.两表笔在使用时,电流总是“红入”“黑出”。
3.测电阻时
(1)指针指中值附近较准,否则换挡。
(2)每换一挡必须重新欧姆调零。
(3)读出示数要乘以倍率。
实验研析·创新学习
类型一 多用电表的使用和读数
【典例1】在“多用电表的使用”实验中:
(1)如图1所示为一正在测量中的多用电表表盘,如果用电阻挡“×
100”测量,则读数为________Ω;如果用“直流5
V”挡测量,则读数为________V。?
(2)甲同学利用多用电表测量电阻,他用电阻挡“×
100”测量时发现指针偏转角度过小,为了得到比较准确的测量结果,请从下列选项中挑出合理的步骤,操作顺序为____________(填写选项前的字母)。?
A.将选择开关旋转到电阻挡“×
1k”的位置
B.将选择开关旋转到电阻挡“×
10”的位置
C.将两表笔分别与被测电阻的两根引线相接完成测量
D.将两表笔短接,调节欧姆调零旋钮使指针指向“0
Ω”
(3)乙同学利用多用电表测量图示电路中小灯泡正常工作时的有关物理量,以下操作正确的是________。?
A.将选择开关旋转到合适的电压挡,闭合开关,利用图2的电路测量小灯泡两端的电压
B.将选择开关旋转到合适的电阻挡,闭合开关,利用图2的电路测量小灯泡的电阻
C.将选择开关旋转到合适的电流挡,闭合开关,利用图3的电路测量通过小灯泡的电流
D.将选择开关旋转到合适的电流挡,把图3中红、黑表笔接入电路的位置互换,闭合开关,测量通过小灯泡的电流
【解析】(1)多用电表测电阻选取最上端的欧姆表刻度,根据挡位可知阻值为6×102
Ω;测电压时,由于精度为0.1
V,需要估读一位,根据量程“50”的刻度可知电压为3.60
V。
(2)欧姆挡测电阻时指针偏转角度过小是由于挡位过小,需选取大挡位,进行欧姆调零后再测阻值,故顺序为:A、D、C。
(3)多用电表一定是红表笔电流流入、黑表笔电流流出,图2
是测电压,图3
是测电流,表笔位置正确,故选项A、C正确,B、D错误。
答案:(1)6×102 3.60
(2)A、D、C(不可以改变顺序)
(3)A、C(可以改变顺序)
用多用电表测电阻时应注意
(1)测电阻时必须把待测电阻从电路中分离出来。
(2)两个调零过程,切记换挡需进行欧姆调零。
(3)读数时应乘以相应的倍率。
(4)合理选择量程,使指针尽可能指在中值附近。
(5)欧姆表的表盘刻度不均匀,一般不估读。
(6)电池用旧后,电动势会变小,内电阻会变大,致使电阻测量值偏大,要及时更换电池。
类型二 用多用电表判断电路故障
【典例2】(2020·大同高二检测)如图所示的电路中1、2、3、4、5、6为连接点的标号。在开关闭合后,发现小灯泡不亮,现用电表检查电路故障,需要检测的有:电源、开关、小灯泡、3根导线以及电路中的各连接点。
(1)为了检测小灯泡及3根导线,在连接点1、2已接好的情况下,应当选用多用电表的________挡。在连接点1、2同时断开的情况下,应当选用多用电表的________挡。?
(2)在开关闭合情况下,若测得5、6两点间的电压接近电源的电动势,则表明______________________可能有故障。?
(3)小灯泡拆离电路,写出用多用电表检测该小灯泡是否有故障的具体步骤。
?__________________________________________________________________
?__________________________________________________________________
?__________________________________________________________________
【解析】(1)由于电路存在电源,因此要先用电压挡检测;若连接点1、2同时断开,电路其他部分无电源,因此要用欧姆挡检测。
(2)若测得5、6两点间的电压接近电源的电动势,说明5、6两点与电源正、负极是通的,故障一定出在开关或连接点5、6上。
(3)用多用电表检测该小灯泡是否有故障的具体步骤:
①调到欧姆挡;
②将红、黑表笔相接,检查欧姆挡能否正常工作;
③测量小灯泡的电阻,如电阻无穷大,表明小灯泡有故障。
答案:(1)电压 欧姆 (2)开关或连接点5、6
(3)①调到欧姆挡;②将红、黑表笔相接,检查欧姆挡能否正常工作;③测量小灯泡的电阻,如电阻无穷大,表明小灯泡有故障。
电路故障的检测方法
电路故障一般是指短路或断路,常见的情况有导线断芯、灯泡断丝、灯座短路、电阻器内部断路或接头处接触不良等,应用多用电表检测的方法有:
1.欧姆挡检测
电阻为零,说明两接线柱间存在短路现象。
2.电压挡检测
如果电压表读数为零,说明可能在和电压表并联的电路之外有断路或该并联电路内有短路。
如果电压表有示数,说明在和电压表并联的电路之外无断路或该并联电路内无短路。
如果电压表示数等于电源电动势,说明可能和电压表并联的电路间有断路,而该并联电路之外的电路无断路。
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5
-第三节 测量电源的电动势和内阻
实验必备·自主学习
一、实验目的
1.掌握用电压表和电流表测量电动势和内阻的方法。
2.会利用计算法和图像法求电动势和内阻。
二、实验器材
待测电池,电流表
(0～0.6
A),电压表(0～3
V),滑动变阻器,开关,导线。
在测量电池的电动势和内阻的实验中,待测电池应选择新电池还是旧电池?解释这样选择的好处。
提示:旧电池。旧电池的内阻较大,路端电压随电流变化的现象更明显,内阻测量更准确。
三、实验原理与设计
1.伏安法:
(1)原理图
(2)主方程:E=U+Ir。
(3)主要器材:滑动变阻器、电流表、电压表。
(4)实验设计:通过调节滑动变阻器,只需测出U、I的两组数
据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r。
2.安阻法:
(1)原理图
(2)主方程:E=IR+Ir。
(3)主要器材:电阻箱、电流表。
(4)实验设计:通过调节电阻箱,只需测出R、I的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r。
3.伏阻法:
(1)原理图。
(2)主方程:E=U+r。
(3)主要器材:电阻箱、电压表。
(4)实验设计:通过调节电阻箱,只需测出R、U的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r。
实验过程·探究学习
实验步骤
(以伏安法为例)
1.电流表用0～0.6
A量程,电压表用0～3
V量程,按实验原理图连接好电路。
2.把滑动变阻器的滑片移到一端,使其阻值最大。
3.闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显的示数,记录一组数据(I1、U1)。用同样的方法测量几组I、U值,填入表格中。
1
2
3
4
5
6
U/V
I/A
4.断开开关,整理好器材。
若使用旧电池进行该实验时,发现路端电压U随电流I变化仍不明显,用什么方法可以使这个变化更明显一些。
提示:如图所示给电源串联一个定值电阻,既作为保护电阻,又可以增加电源的等效内阻,使电压表的示数有明显的变化。
数据的分析与处理
1.计算法:
由E=U1+I1r,E=U2+I2r可解得:
E=,r=。
分别将1、4组,2、5组,3、6组联立方程组解出E1、r1,E2、r2,E3、r3,求出它们的平均值作为测量结果:
E=,r=。
2.图像法:
(1)以I为横坐标,U为纵坐标建立直角坐标系,根据几组I、U的测量数据在坐标系中描点。
(2)用直尺画一条直线,使尽量多的点落在这条直线上,不在直线上的点,能大致均衡地分布在直线两侧。
(3)如图所示:
①图线与纵轴交点为E;
②图线与横轴交点为I短=;
③图线的斜率表示r=||。
(1)干电池内阻较小时,U的变化较小,坐标图中数据点将呈现如图甲所示的状况,下部大面积空间得不到利用,应怎样作图,能有效减少误差?
(科学思维)
提示:为此可使坐标不从零开始,如题图乙所示,纵坐标不从零开始,把纵坐标的刻度放大,可使结果的误差减小些。
(2)如图乙中,怎样计算电动势和内电阻?
(科学思维)
提示:直线与纵轴交点的纵坐标值即是电池电动势的大小(一次函数的纵轴截距);直线的斜率绝对值即为电池的内阻r,即r=。在利用U-I图线求r时,一定要弄清楚在你面前的U-I图线的纵坐标是否是从零开始的,如果从零开始,则r=,如果不是从零开始,则r=。
误差分析
1.使用限流外接法的误差分析:
限流外接法电路如图甲所示。
(1)误差来源:电压表的分流作用。由于实际使用的电压表不是理想电表,将有电流通过。测量的电流偏小。
(2)误差大小分析:当路端电压为零时,电压表不分电流,此时测量电流没有误差。随着电压表两端的电压越大,通过电压表的电流越大,测量的电流偏小得越多。
(3)真实图像与测量图像的比较:综上分析,真正的U-I图像为图乙中的虚线A′B,测量值为图乙中的实线AB。
(4)结论:与真实值相比,电动势测量值偏小,电阻偏小。
2.使用限流内接法的误差分析:
限流内接法电路如图丙所示。
(1)误差来源:电流表的分压作用。由于实际使用的电流表不是理想电表,电流表两端有电压。测量的电压偏小。
(2)误差大小分析:当干路电流为零时,电流表不分电压,此时测量电压没有误差。随着通过电流表的电流增大,电流表两端的电压越大,测量的电压偏小得越多。
(3)真实图像与测量图像的比较:综上分析,真正的U-I图像为图丁中的虚线,测量值为图丁中的实线。
(4)结论:与真实值相比,电动势测量值无系统误差,电阻偏大。
(1)在限流外接法和内接法中,分别选用怎样的电表可减小该实验的误差?
(科学思维)
提示:使用限流外接法时应选择内阻较大的电压表;使用限流内接法时,应选择电阻较小的电流表。
(2)不论使用限流外接法还是内接法都会有一定的误差,综合分析两者的优缺点。
(科学思维)
提示:内接法测量电动势没有系统误差,但是内阻测量误差过大;外接法测量电动势和内阻都有误差,但两个误差都较小。
实验研析·创新学习
类型一 教材原型实验
角度1实验原理和实验操作
【典例1】用电流表和电压表测定由三节干电池串联组成的电池组(电动势约
4.5
V,内电阻约1
Ω)的电动势和内电阻,除待测电池组、电键、导线外,还有下列器材供选用:
A.电流表:量程0.6
A,内电阻约1
Ω
B.电流表:量程3
A,内电阻约0.2
Ω
C.电压表:量程3
V,内电阻约30
kΩ
D.电压表:量程6
V,内电阻约60
kΩ
E.滑动变阻器:0～1
000
Ω,额定电流0.5
A
F.滑动变阻器:0～20
Ω,额定电流2
A
(1)为了使测量结果尽量准确,电流表应选用__________,电压表应选用__________,滑动变阻器应选用__________(均填仪器的字母代号)。?
(2)如图为正确选择仪器后,连好的部分电路。为了使测量误差尽可能小,还需在电路中用导线将________和__________相连、________和__________相连、__________和__________相连。(均填仪器上接线柱的字母代号)?
(3)实验时发现电流表坏了,于是不再使用电流表,剩余仪器中仅由电阻箱替换掉滑动变阻器,重新连接电路,仍能完成实验。请在虚线框中画出这种情况下的电路图。
【解析】(1)为了使测量更准确,电流表选量程为0.6
A的电流表A,电池组的电动势约4.5
V,故电压表选D,为了便于调节滑动变阻器应选F。
(2)为了使测量误差尽可能小,测量电源电动势和内电阻的原理图如图甲所示,因此将a、d相连,c、g相连,f、h相连。
(3)用电阻箱和电压表测量电源电动势和内阻应使用伏阻法,其原理图如图乙所示。
答案:(1)A D F (2)a d c g f h
(3)见解析
角度2实验数据处理
【典例2】(2020·长沙高二检测)用电流表和电压表测定电池的电动势E和内阻r,所用电路如图(a)所示,一位同学测得的六组数据如表所示。
组别
1
2
3
4
5
6
电流I/A
0.12
0.20
0.31
0.32
0.50
0.57
电压U/V
1.37
1.32
1.24
1.18
1.10
1.05
(1)试根据这些数据在图(b)中作出U-I图线。
(2)根据图线求出电池的电动势E=________V,电池的内阻r=________Ω。?
【解析】(1)利用表中坐标值,采用描点法并连线得图像如图所示:
(2)由闭合电路欧姆定律可知U=E-Ir,再由数学知识可知,图像与纵坐标的交点为电源的电动势,故电源的电动势为1.45
V;而图像的斜率表示电源的内阻,r==≈0.69
Ω。
答案:(1)见解析图 (2)1.45(1.45～1.47均可) 0.69(0.67～0.72均可)
类型二 创新型实验
【典例3】根据闭合电路欧姆定律,用图甲所示的电路可以测定电池的电动势和内电阻。图中R0是定值电阻,通过改变R的阻值,在1、2位置处接一电压传感器,可直接显示R0两端的对应电压U12。对所得的实验数据进行处理,就可以实现测量目的。根据实验数据,在-R坐标系中描出坐标点,如图乙所示。已知R0=150
Ω,请完成以下数据分析和处理。
(1)图乙中电阻为__________Ω的数据点应剔除;?
(2)在图乙上画出-R关系图线;
(3)图线的斜率是__________(V-1·Ω-1),由此可得电池电动势Ex=__________V。?
【解析】(1)根据画图描点原则应舍掉电阻为80
Ω的点。
(2)连线时应该用直线拟合,使线过尽可能多的点,不在线上的数据点均匀分布在线的两侧。
(3)根据闭合电路欧姆定律得Ex=U12+(R+rx),所以=++,由图可知斜率=0.004
44,即Ex=1.50
V。
答案:(1)80 (2)如图所示
(3)0.004
44 1.50
【创新评价】
创新角度
创新方案
器材创新
测量电流或电压时,可改用传感器等先进仪器
原理创新
除常用的伏安法外,还有伏阻法和安阻法也可以用来测量电动势和内阻
操作创新
为使实验现象更明显,可在干路串联一个定值电阻,计算内阻时可将该电阻等效为电池内阻的一部分
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