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  4. 电路故障分析欧姆定律及其应用滑动变阻器

如图所示,电源电压保持不变,S闭合后,当滑片P向右滑动时()A.灯L1变亮,灯L2变暗,电流表示数变大B.灯L1变暗,灯L2变亮,电流表示数变小C.灯L1亮度不变,灯L2变暗,电流表示

一、题文

如图所示,电源电压保持不变,S闭合后,当滑片P向右滑动时(  )

A.灯L1变亮,灯L2变暗,电流表示数变大
B.灯L1变暗,灯L2变亮,电流表示数变小
C.灯L1亮度不变,灯L2变暗,电流表示数变大
D.灯L1亮度不变,灯L2变暗,电流表示数变小

考点提示:电路故障分析,欧姆定律及其应用,滑动变阻器

二、答案

D

三、考点梳理

知名教师分析,《如图所示,电源电压保持不变,S闭合后,当滑片P向右滑动时()A.灯L1变亮,灯L2变暗,电流表示数变大B.灯L1变暗,灯L2变亮,电流表示数变小C.灯L1亮度不变,灯L2变暗,电流表示》这道题主要考你对 电路故障分析欧姆定律及其应用滑动变阻器 等知识点的理解。

关于这些知识点的“解析掌握知识”如下:

知识点名称:电路故障分析,欧姆定律及其应用,滑动变阻器

考点名称:电路故障分析
  • 串联电路的故障现象:
    一般归纳为两类:
    1.开路:(亦作“断路”).所有用电器都不工作,电流表无示数,只有垮在断点两边的电压表有示数,且示数接近(或等于)电源电压。
    2.短路:被短路的部分用电器不工作,电流表有示数,接在被短路用电器两端的电压表无示数,接在其他用电器两端的电压表有示数。
  • 电路故障分析:
    一、常见故障:
    故障1:闭合开关后,灯泡忽明忽暗,两表指针来回摆动;
    原因:电路某处接触不良;
    排除方法:把松动的地方拧紧。

    故障2:闭合开关前灯泡发光闭合开关后灯泡不亮了两表也无示数
    原因:开关与电源并联导致所有东西都被短路
    后果:极容易烧坏电源

    故障3(也就是做题最常见的故障):闭合开关后灯泡不亮电流表几乎无示数电压表所呈示数几乎为电源电压
    原因1:灯泡断路故电压表串联到了电路中
    说一下啊一般判断电路时都是把电压表当做断路是应为它的电阻很大很大所以呢如果电压表与一灯泡并联而这个灯泡断路了就相当于直接把这个电压表串联在电路中I=U/R因为电压是恒定的电阻巨大所以电流表的示数就很小了而串联式靠电阻分压的由于电压表的电阻巨大在这么大的电阻前灯泡的电阻就显得微不足道所以电压表显示的几乎是电源电压;
    原因2:电流表与电压表位置互换
    这样灯泡就被几乎没有电阻的电流表(它接到了电压表的位置上)短路故不亮电路中只串联了一个电流表和一个电压表因为电压表的电阻很大所以几乎分到了全部电压而由于电压表的电阻大所以电流表几乎无示数;
    补充一下啊:有时做题会问你如果在测小灯泡电阻的实验中(或是电路图中只有一个灯泡两表)如果电流表与电压表位置互换会有什么后果就答:灯泡不亮电流表几乎无示数(其实就是没示数)电压表所示几乎为电源电压(其实就是电源电压)


    故障4:闭合开关后无论怎样移动滑动变阻器的滑片灯泡亮度与两表示数均无改变;
    原因:变阻器没有按照一上一下的方法来接
    补充一下:变阻器全接上接线柱时:相当于导线(这是极不安全的容易造成电路电流过大)变阻器全接下接线柱是:相当于一个定值电阻。

    故障5:闭合开关后,无论怎样移动滑片灯泡都不亮
    原因1:电路某一处断路
    原因2:灯泡被导线或电流表短路

    故障6:灯泡亮两表指针反向偏转;
    原因:两表的正负接线柱接反了
    “症状”1:用电器不工作。诊断:
    (1)若题中电路是串联电路,看其它用电器能否工作,如果所有用电器均不能工作,说明可能某处发生了断路;如果其它用电器仍在工作,说明该用电器被短路了。
    (2)若题中电路是并联电路,如果所有用电器均不工作,说明干路发生了断路;如果其它用电器仍在工作,说明该用电器所在的支路断路。
    “症状”2:电压表示数为零。诊断:
    (1)电压表的两接线柱到电源两极之间的电路断路;
    (2)电压表的两接线柱间被短路。
    “症状”3:电流表示数为零。诊断:
    (1)电流表所在的电路与电源两极构成的回路上有断路。
    (2)电流表所在电路电阻非常大,导致电流过小,电流表的指针几乎不动(如有电压表串联在电路中)。
    (3)电流表被短路。
    “症状”4:电流表被烧坏。诊断:
    (1)电流表所在的电路与电源两极间直接构成了回路,即发生了短路。
    (2)电流表选用的量程不当。

    初中物理电学故障只有几类:短路(包括电源短路和局部用电器短路);断路;电流、电压表正负接反;电压表串接等等。
    首先,看它给出的电路图或者实物图,用电流的流向法(电流从电源正极出发,通过用电器,流回负极)判断,各个用电器的工作情况。具体问题具体分析吧。 常用到的一些重要方法有:电流表看成导线,电压表看成断路。
    例如:灯不亮,用电器不工作,可能的原因有:
    1)断路。电路中有个地方断开了,包括开关、用电器自身,接触不良等等;
    2)短路。用电器被某条导线或者电流表短路了。

    涉及到电压表的一些问题:
    1)电压表有读数。但电流表无读数(或很弱),灯不亮,用电器不工作,原因:与电压表并联的部分(电压表是并联使用的)断路。这样,电压表相当于串联在电路中。
    2)电压表无读数。
    a.电流表无读数,灯不亮,用电器不工作,则,与电压表并联的电路**以外**的地方断路。
    b.电流表有读数,与电压表并联部分不工作,则,与电压表并联部分被短路,这时,电压表相当与与导线并联,导线两端的电压为0.
    等效电路图的意思:比如,我说当开关闭合,灯泡1和灯泡2串联,则,我们就可以在草稿纸上面就可以直接画灯泡1和灯泡2串联,闭合的开关当作导线,这样就可以简化电路。方便我们计算和分析。
    如果电压表有示数,说明电压表的两个接线柱与电源两极间连接良好,并且电压表没被短路。
    如果电流表有示数,说明电流表所在电路是通路,电路故障很可能是某处短路。

    二、开路,短路的判断:
    (一)开路的判断
    1、如果电路中用电器不工作(常是灯不亮),且电路中无电流,则电路开路。
    2、具体到那一部分开路,有两种判断方式:
    ①把电压表分别和各处并联,则有示数且比较大(常表述为等于电源电压)则电压表两接线柱之间的电路开路(电源除外);
    ②把电流表分别与各部分并联,如其他部分能正常工作,电流表有电流,则当时与电流表并联的部分断开了。(适用于多用电器串联电路)

    (二)短路的判断
    1、串联电路或者串联部分中一部分用电器不能正常工作,其他部分用电器能正常工作,则不能正常工作的部分短路。
    2、把电压表分别和各部分并联,导线部分的电压为零表示导线正常,如某一用电器两端的电压为零,则此用电器短路。
    ※根据近几年中考物理中出现的电路故障,总结几条解决这类问题的常用的主要判断方法:
    “症状”1:用电器不工作。
    诊断:
    (1)若题中电路是串联电路,看其它用电器能否工作,如果所有用电器均不能工作,说明可能某处发生了断路;如果其它用电器仍在工作,说明该用电器被短路了。
    (2)若题中电路是并联电路,如果所有用电器均不工作,说明干路发生了断路;如果其它用电器仍在工作,说明该用电器所在的支路断路。
    “症状”2:电压表示数为零。诊断:
    (1)电压表的两接线柱到电源两极之间的电路断路;
    (2)电压表的两接线柱间被短路。
    “症状”3:电流表示数为零。诊断:
    (1)电流表所在的电路与电源两极构成的回路上有断路。
    (2)电流表所在电路电阻非常大,导致电流过小,电流表的指针几乎不动(如有电压表串联在电路中)。
    (3)电流表被短路。
    “症状”4:电流表被烧坏。诊断:
    (1)电流表所在的电路与电源两极间直接构成了回路,即发生了短路。
    (2)电流表选用的量程不当。

    三、分析归纳:
    串联电路中,断路部位的电压等于电源电压,其它完好部位两端电压为0V;
    串联电路中,短路部位的电压等于0V,其它完好部位两端有电压,且电压之和等于电源电压。
    不管“短路、断路”成因是多么复杂,其实质却很简单,我们可以认为“短路”的用电器实质就是电阻很小,相当于一根导线,“断路”的用电器实质就是电流无法通过相当于断开的电键。在分析中用导线代替“短路”的用电器,用断开的电键代替“断路”的用电器,往往会收到意想不到的效果。
    形成故障的原因很多,比如“短路”有可能是用电器两个接线柱碰线造成,也可能是电流过大导致某些用电器内部击穿,电阻为零;“断路”有可能是导线与用电器接触不良造成,也可能是电流过大将用电器某些部分烧断造成。

    实验过程中如何分析电路故障:
       在做探究串、并联电路中电流的规律的实验时,可能会遇到各种各样的电路故障,一般可以根据故障的现象推断产生的原因。以下就此实验中可能出现故障的现象进行分析诊断。
    1.在串联电路(甲图)中的故障

    (1)只有一个灯泡亮,如L1亮,其他电路完好,说明问题出在不发光的灯泡L2上,检查灯泡L2的灯丝和灯座是否有短路故障。
    (2)两灯都不亮,则电路中一定有断路,可以用一只好灯泡检测故障部位,将检验灯泡分别与灯泡L1、 L2、电流表、开关、电源并联,或与多个元件并联,直到检验灯泡发光,说明所并电路部分存在着断路故障。例如:将检验灯泡L与灯泡L1并联(乙图),如果L发光,说明灯泡L1处断路;如果L不亮,则其他元件处有断路情况。

    2. 在并联电路(丙图)中的故障

    (1)只有一个灯泡亮,如L1亮,只能是不发光的灯泡L2支路上存在断路故障,检查灯丝是否烧断,灯座、导线是不是没有接好。
    (2)两灯都不亮,一般属于干路故障,检查电源、开关、电流表及干路导线中是否断路,也有可能是两条支路同时断路。
考点名称:欧姆定律及其应用
  • 内容:
    通过导体的电流与导体两端的电压成正比,与导体的电阻成反比;

    公式:

    I=U/R,U表示导体两端的电压,单位是V;R表示导体的电阻,单位是Ω;I表示通过导体的电流,单位是A。

    单位使用:
    使用欧姆定律时各物理量的单位必须统一,I的单位是A,U的单位是V,R的单位是Ω。

  • 解析“欧姆定律”:
         欧姆定律是电学中的基本定律和核心内容,是贯穿整个电学的主线,下面我们从以下几个方面进行深入分析.
    1.要理解欧姆定律的内容
    (1)欧姆定律中的关于成正比、成反比的结论是有条件的。如果说导体中的电流与导体两端的电压成正比,条件就是对于同一个电阻,也就是说在电阻不变的情况下;如果说导体中的电流与导体的电阻成反比,条件就是导体两端的电压不变。
    (2)注意顺序,不能反过来说,电阻一定时,电压跟电流成正比。这里存在一个逻辑关系,电压是原因,电流是结果。是因为导体两端加了电压,导体中才有电流,不是因为导体中通了电流才有了电压,因果关系不能颠倒。
        同样也不能说导体的电阻与通过它的电流成反比。我们知道,电阻是导体本身的一种性质,即使导体中不通电流,它的电阻也不会改变,更不会因为导体中电流的增大或减小而使它的电阻发生改变。

    2.要知道欧姆定律的公式和单位 欧姆定律的表达式,可变形为U=IR和R=,但这三个式子是有区别的。
    (1),是欧姆定律的表达式,它反映了通过导体的电流的大小跟导体两端所加的电压这个外部原因和导体本身的电阻这个内部原因之间的因果关系。
    (2)U=IR,当电流一定时,导体两端的电压跟它的电阻成正比。不能说成导体的电阻一定时导体两端的电压与通过的电流成正比,因为电压是形成电流的原因。电压的大小由电源决定,跟I、R无关,此式在计算比值时成立,不存在任何物理意义。
    (3),此公式也是一个量变式,不存在任何物理意义。不能误认为导体的电阻跟导体两端的电压成正比,跟导体中的电流成反比。公式中的I、U、R都要用国际单位,即电流的单位为安培,符号A;电压的单位为伏特,符号V;电阻的单位为欧姆,符号Ω,且有

    3.要明白定律的适用范围
    (1)定律只适用于金属导电和液体导电,对于气体、半导体导电一般不适用。
    (2)定律只适用于纯电阻电路。如:电路中只接有电阻器、电热器、白炽灯等用电器的电路。对于非纯电阻电路,如:电动机电路、日光灯电路等,则不能直接应用。

    4.要理解欧姆定律的注意事项
    (1)物理量的同一性。叙述欧姆定律时,在两个 “跟”字后面都强调了“这段导体”四个字,它是指对电路中同一导体或同一电路而言。所以在运用欧姆定律等进行计算时,必须注意同一性,即I、R、U必须是 同一导体或同一段电路中的物理量。在表示I、U、R 时,注意脚标的一一对应。
    (2)物理量的同时性。由于电路的连接方式发生改变,开关的断开或闭合,或滑动变阻器滑片的左右移动都可能使电路中总电阻发生变化,从而可能引起电路中电流和各部分电阻两端的电压发生变化。因此,必须注意在同一时刻、同一过程中的电压、电阻与电流的相互对应,不可将前后过程的I、R、U随意混用。

  • 利用欧姆定律进行计算:
       根据串、并联电路的特点和欧姆定律的公式可进行有关计算。
    解题的方法是:(1)根据题意画出电路图,看清电路的组成(串联还是并联);
    (2)明确题目给出的已知条件与未知条件,并在电路图上标明;
    (3)针对电路特点依据欧姆定律进行分析;
    (4)列式解答。
    例1如图所示的电路中,电阻尺。的阻值为10Ω。闭合开关S,电流表A1的示数为2A,电流表A2的示数为0.8A,则电阻R2的阻值为____Ω。

    解析:闭合开关s,R1与R2并联,电流表A1测 R1与R2中的电流之和,即;电流表A2测R2中的电流I2,则,电源电压,则=15Ω

    答案:15

    如何判断电压表、电流表的示数变化:
    1.明确电路的连接方式和各元件的作用
    例如:开关在电路中并不仅仅是起控制电路通断的作用,有时开关的断开和闭合会引起短路,或改变整个电路的连接方式,进而引起电路中电表示数发生变化。
    2.认清滑动变阻器的连入阻值例如:如果在与变阻器的滑片P相连的导线上接有电压表,如图所示,则此变阻器的连人阻值就是它的最大阻值,并不随滑片P的滑动而改变。
    3.弄清电路图中电表测量的物理量在分析电路前,必须通过观察弄清各电表分别测量哪部分电路的电流或电压,若发现电压表接在电源两极上,则该电压表的示数是不变的。
    4.分析电路的总电阻怎样变化和总电流的变化情况。
    5.最后综合得出电路中电表示数的变化情况。

    例1如图所示的电路中,电源两端电压保持不变,当开关S闭合时,灯L正常发光。如果将滑动变阻器的滑片P向右滑动,下列说法中正确的是(   )

    A.电压表的示数变大,灯L变亮
    B.电压表的示数变小,灯L变暗
    C.电压表的示数变大,灯L变暗
    D.电压表的示数变小,灯L变亮

    解析:题中L、R1、R2三元件是串联关系,R2的滑片P向右滑动时,电路中总电阻变大,电流变小,灯L 变暗,其两端电压变小,电压表测除灯L以外的用电器的电压,电源总电压不变,所以电压表示数变大。所以选C项。

    答案:C

    滑动变阻器滑片移动时,电表的示数变化范围问题:
         解决此类问题的关键是把变化问题变成不变问题,把问题简单化。根据开关的断开与闭合情况或滑动变阻器滑片的移动情况,画出等效电路图,然后应用欧姆定律,结合串、并联电路的特点进行有关计算。

    例1如图甲所示电路中,电源电压为3V且保持不变,R=10Ω,滑动变阻器的最大阻值R’=20Ω,当开关s闭合后,在滑动变阻器的滑片由A端移动到B 端的过程中,电流表示数的变化范围是______。

    解析:把滑片在A点和B点时的电路图分别画出来,如图乙、丙所示,应用欧姆定律要注意I、U、R的同一性和同时性。滑片在A端时, 0.3A;滑片在B端时 =0.1A。

    答案:0.3~0.1A

  • 欧姆定律知识梳理:
  • 用欧姆定律分析短路现象:

         导线不通过用电器而直接连到电源两极上,称为短路,要是电源被短路,会把电源烧坏。还有一种短路,那就是用电器被短路。如图所示的电路中,显然电源未被短路。灯泡L1的两端由一根导线直接连接。导线是由电阻率极小的材料制成的,在这个电路中,相对于用电器的电阻来说,导线上的电阻极小,可以忽略不计。图中与L1并联的这段导线通过灯泡L2接在电源上,这段导线中就有一定的电流,我们对这段导线应用欧姆定律,导线两端的电压U=IR,由于R→0,说明加在它两端的电压U→0,那么与之并联的灯泡L1两端的电压U1=U→0,在L1上应用欧姆定律知,通过L1 的电流,可见,电流几乎全部通过这段导线,而没有电流通过L1,因此L1不会亮,这种情况我们称为灯泡L1被短路。
         如果我们在与L1并联的导线中串联一只电流表,由于电流表的电阻也是很小的,情形与上述相同,那么电流表中虽然有电流,电流表有读数,但不是L1中的电流,电路变成了电流表与L2串联,电流表的读数表示通过L2的电流,L1被短路了。

    例:在家庭电路中,连接电灯电线的绝缘皮被磨破后可能发生短路,如果发生短路,则会造成(   )
    A.电灯两端电压增大
    B.通过电灯的电流减小
    C.电路中保险丝熔断
    D.电灯被烧坏

    解析由于发生短路时,电路中电阻非常小,由 欧姆定律知,电路中的电流将非常大,所以保险儿丝将熔断。

    答案:C

    注意防雷:
    1.雷电现象及破坏作用
         雷电是大气中一种剧烈的放电现象。云层之间、云层和大地之间的电压可达几百万伏至几亿伏。根据,云与大地之间的电压非常高,放电时会产生很大的电流,雷电通过人体、树木、建筑物时,巨大的热量和空气的振动都会使它们受到严重的破坏。因此,我们应注意防雷。避雷针就可以起到防雷的作用。

    2.  避雷针
         避雷针是金属做的,放在建筑物的高处,当电荷传至避雷针尖上时极易沿着金属线流入大地。这一电流通道可使云层和建筑物间的正、负电荷中和,使云层放出的电荷完全通过避雷针流人大地而不会损坏建筑物。

考点名称:滑动变阻器
  • 定义:
        滑动变阻器是电路中的一个重要元件,它可以通过移动滑片的位置来改变自身的电阻,从而起到控制电路的作用。在电路分析中,滑动变阻器既可以作为一个定值电阻,也可以作为一个变值电阻。


    构造:
    滑动变阻器的构成一般包括接线柱、滑片、电阻丝、金属杆和瓷筒等五部分。

    符号:常用Rx表示,元件符号位
    结构示意图:
  • 工作原理:通过改变接入电路中电阻丝的长度,可以逐渐改变电阻。

    作用:改变电流、调节电压和保护用电器。

    使用方法:滑动变阻器一般串联在电路中。连接时应“一上一下”的把接线柱接人电路中。连接电路时应把滑动变阻器的滑片滑至阻值最大处。

    铭牌:观察滑动变阻器的铭牌,能够了解它的最大阻值和允许通过的最大电流。例如铭牌上标有 “20Ω  1.5A”的字样,说明该滑动变阻器的最大阻值是20Ω,允许通过的最大电流是1.5A。

    优缺点:
    优点:能连续地改变接人电路的电阻值;缺点:不能直接读出电阻值的大小。

  • 用滑动变阻器改变电流的方法
    1.根据实际需要对滑动变阻器进行选择。每个滑动变阻器都有规定的最大电阻值和允许通过的最大电流值,通过它的电流不能超过最大电流值。
    例如:滑动变阻器铭牌上的“20 Ω2A”是指滑动变阻器连入电路的最大阻值为20Ω,通过滑动变阻器的电流不能超过2A。
    2.滑动变阻器一般与被控制部分串联。
    3.为了保护电路,在闭合开关前要使滑片处于滑动变阻器阻值最大的位置。
    4.滑动变阻器在接入电路时必须采用两个接线柱 “一上一下”的连接方法。
    5.要使灯泡的亮度变亮,即需要使电路中的电流变大,则应该让滑动变阻器连入电路中的阻值变小。

    例:李明想用如图所示的器材,设计一个可以调节小灯泡亮度的电路。请你用笔画线代替导线,帮李明把图中的器材连接起来。要求:

    (1)滑动变阻器的滑片向右滑动时,灯泡的亮度变暗;
    (2)电流表测通过灯泡的电流(灯泡的电阻约为 10Ω),电压表测灯泡两端的电压。李明检查电路连接无误后,闭合开关,电流表和电压表示数如图甲、乙所示,则通过灯泡的电流是____ A,灯泡两端的电压是__V。

    解析:本题考查滑动变阻器、电压表、电流表的使用。由于电源为两节干电池,所以电压表的量程选择0~3V,灯泡的电阻约为10Ω,故电流表的量程选择0~0.6A。

    答案:电路图如下图0.26   2.4

    判断滑动变阻器阻值变化的方法:
        判断电路中滑动变阻器的阻值变化时,一要弄清滑动变阻器的哪部分被连入电路;二是要看清滑动变阻器滑片的移动方向。

    例1如图所示的是一种自动测定油箱内油面高度的装置,R是转动式变阻器,它的金属滑片P是杠杆的一端,下列说法正确的是(   )

    A.油量表是由电流表改装而成的
    B.R、R0在电路中是并联的
    C.油位越高,流过R的电流越大
    D.油位越高,R两端的电压越大

    解析:观察电路可知油量表显然不能是电流表,因为电流表是不能被并联在电路中的,这个油量表应该是电压表。两个电阻是串联在电路中的,油位越高,油量表的示数应该越大,通过电路冈可以看出油量表测的电压是转动式变阻器两端的电压,因此可以判断,油位越高电压越高。

    答案:D

  • 滑动变阻器的接法:
    限流式
    以下情况可选用限流式接法:
    ①待测用电器电阻接近滑动变阻器电阻(也可选用分压式接法)。
    ②简化电路,节约能源。


    分压式
    以下情况必须使用分压式接法:①待测用电器电阻远大于或远小于滑动变阻器电阻。②实验要求待测用电器电流及其两端电压可以由0开始连续变化(例如测小灯泡的伏安特性曲线)。③实验要求待测用电器电流及其两端电压可变范围较大。④采用限流式接法时,无论如何调节变阻器,电流、电压都大于对应电表的量程。
    串分压公式:U1/U2=R1/R2
    并分流公式:I1/I2=R2/R1

    实验室接法
    连接的方法有6种,分别为AC、AD、BD、BC、CD、AB。

    其中只有AC,AD,BD,BC这四种方法,也就是所谓的“一上一下”,可以改变阻值。剩下的两种不能改变阻值。
    具体情况如下:
    1.当导线接AD和AC时,滑片P向左移动时电阻变小,电流变大。当滑片P向右移动时,电阻变大,电流变小。
    2.当导线接BC和BD时,滑片P向左移动时电阻变大,电流变小。当滑片P向右移动时,电阻变小,电流变大。
    3.当划片接CD时,这时的电阻几乎为0.电流十分大。同时电阻的阻值不可以通过移动滑片P来改变,所以这时就相当于一个定值电阻。另外,如果这样直接接到电源上,就会发生短路。
    4.当划片接AB时。这时的电阻是最大的,那么通过的电流也很小。同时电阻的阻值也不可以通过移动滑片P来改变,也相当于一个定值电阻。

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