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初中物理电路动态与电路故障分析

            电路动态分析题和电路故障分析题是初中学生物理学习过程中的一个难点,也是每年中考考查的热点之一,其原因是这两类题目对学生有较高的综合分析能力要求。进行电路故障分析,要以电路动态分析能力作为基础,而电路故障分析又是电路动态分析的载体,因此我们在中考备考过程中,将这两类分析题整合成一个专题进行复习,既有利于加深学生对动态电路和欧姆定律的理解,又可以提高学生的综合分析能力,提高复习的效率。笔者根据多年的备考经验,在中考复习中,以电路动态分析作为主线,而将电路故障作为电路动态变化的一个原因,总结出动态电路和电路故障的几个类型,并加以剖析,以期对参加中考的同学有所帮助。       
 
一、滑动变阻器的滑片P的位置的变化引起电路中电学物理量的变化
 
1 .串联电路中滑动变阻器的滑片P的位置的变化引起的变化
 
 【例1】如图1,是典型的伏安法测电阻的实验电路图,当滑片P向右移动时,请你判断A表和V表的变化。
 
                                                                         
 
分析:本题中,为了分析表达的简洁,我们约定一套符号:“→”表示引起电路变化;“↑”表示物理量增大或电表示数增大;“↓”表示物理量减小或电表示数减小。
 
P右移→R 2↑→R ↑→I↓→A表↓。
 
R 1不变→IR 1↓→U 1↓→V表↓。
 
(判断V表的变化还可以根据串联电路的分压原理来分析:R 2↑→U 2↑→U 1↓→V表↓。)
 
根据串联电路的特点,滑动变阻器R 2两端的电压 U 2 将变大。推论:如果滑动变阻器R 2 足够大,当滑片P向右一直滑动时,电阻将不断增大,那么U  将不断增大,U 1 将不断减小,I将不断减小。假设 R 2 无限大,这时U 2 将增大到电源电压,U 1 将变为0,I也将变为0,这时的电路就相当于断路。这就是用电压表来判断电路断路和短路的道理。
 
【变式训练1】如图2所示,闭合形状S后,使滑动变阻器的滑片P向左滑动,则(   )
 
A.电流表的示数变大,电压表的示数变大,灯变暗
 
B.电流表的示数变小,电压表的示数变大,灯变亮
 
C.电流表的示数变大,电压表的示数变小,灯变亮
 
D.电流表的示数变小,电压表的示数变小,灯变暗
 
                                                            
 
参考答案:C
 
 【例2】如图3,当滑片P向左移动时,A表和V表将如何变化。
 
                                                                       
 
分析:首先要确定电路的类型,此电路属于串联电路呢还是并联电路。我们可以将电流表简化成导线,将电压表简化成断开的电键或干脆拿掉。此时可以容易地看出,这是一个串联电路。而且发现滑动变阻器的滑片已经悬空,滑动变阻器接成了定值电阻,所以A表示数不变。
 
电压表在本电路中,是测量R 1和R 2部分电阻之和的电压,当滑片P向左移动时,被跨接在电压表内的电阻随着变小,根据分压原理:V表示数减小。
 
【变式训练2】如图4,当滑片P向左移动时,A表和V表将如何变化。
 
                                                                       
 
参考答案:A表变大    V表不变
 
【例3】在如图5所示电路中,当闭合电键后,滑动变阻器的滑动片P向右移动时(    )
 
                                                                          
 
A.安培表示数变大,灯变暗    B.安培表示数变小,灯变亮
 
C.伏特表示数不变,灯变亮   D.伏特表示数不变,灯变暗
 
分析:将电流表等效为一根导线,可以看到电压表直接测量电源电压,因此当滑动变阻器的滑动片P向右移动时,电压表的示数将不会变化;而电阻R的阻值变大,小灯的电阻R L大小不变(注意:在初中阶段,小灯的电阻由于温度的变化引起的变化往往忽略不计),因此总电阻变大,电流变小,所以电流表示数变小。从串联电路的分压角度分析,小灯两端的电压也将变小,小灯的功率P=U LI也将变小,所以小灯的发光将变暗。本题正确答案为D。
 
【变式训练3】在如图6所示电路中,当闭合开关后,滑动变阻器的滑动片P向右移动时(    )
 
                                                                           
 
A.电压表示数变大,灯变暗
 
B.电压表示数变小,灯变亮
 
C.电流表示数变小,灯变亮
 
D.电流表示数不变,灯变暗
 
参考答案:C
 
2 .并联电路中滑动变阻器的滑片P的位置的变化引起的变化
 
 【例4】如图7,当滑片P向右移动时,A 1表、A 2表和V表将如何变化?
 
                                                                             
 
分析:并联电路各支路两端电压相等,等于电源电压,故电压表V示数不变。
 
由于并联电路各支路独立工作,互不干扰,滑动变阻器滑片P向右移动时,对R 1这条支路没有影响,所以电流表A 1示数不变。
 
滑片P右移,R 2变大,两端电压不变,故电流变小,干路中电流也随之变小,所以A 2示数也会变小。
 
【变式训练4】如图8,当滑片P向右移动时,A 1表、A 2表和V表将如何变化?
 
                                                                         
 
参考答案:A  表变小     A 表变小      V表不变
 
二、电键的断开或闭合引起电路中电学物理量的变化
 
1 .串联电路中电键的断开或闭合引起的变化
 
 【例5】在如图9所示的电路中,将电键K闭合,则安培表的示数将______,伏特表的示数将________(均填“变大”、“变小”或“不变”)。
 
                                                                         
 
分析:在电键尚未闭合前,两个电阻组成串联电路。电压表测量R 1两端的电压,电键K闭合后,电阻R 2被局部短路,电压表变成测量电源两端的电压了,因此电压表的示数将变大。在电键尚未闭合前,电流表测量的是串联电路的电流值,由于此时电阻较大,故电流较小;电键K闭合后,电阻R 2被局部短路,电路中的电阻只有R 1了,因此电流表的示数将变大。
 
 【变式训练5】在如图10所示的电路中,当开关K断开时,电阻R 1与R 2是_______联的。开关K闭合时,电压表的示数将________(选填“变小”、“不变”或“变大”)。
 
                                                                       
 
参考答案:串联   变小
 
2 .并联电路中电键的断开或闭合引起的变化
 
【例6】在图11中,灯泡L 1和灯泡L 2是______联连接的。当电键K断开时,电压表的示数将________;电流表的示数将__________(选填“增大”、“不变”或“减小”)。
 
                                                                   
 
分析:本题的难度首先在电路的识别,我们可以将电流表看作导线,将电压表拿去,就容易看出这个电路是并联电路。电流表是串联在小灯L 1的支路中的,所以电键闭合时,电流表的示数从0变到有读数,应该选填“增大”。电压表是测量电源电压,而且不受电键控制,所以示数“不变”。
 
【变式训练6】在图12所示的电路中, R 1的阻值为10Ω,只闭合开关S 1时电流表的示数为0.3A,再闭合开关S 2后,电流表的示数为0.45A,则R 2的阻值为         Ω
 
                                                     
 
参考答案:20
 
三、电路的故障引起电路中电学物理量的变化及故障原因分析
 
 【例7】在图13中,当电键 K闭合后,两只小灯泡发光,电压表示数为4伏。过了2分钟,电压表示数为0,经检查除小灯泡外其余器材的连接良好,请分析造成这种情况的原因可能有:_____________________。
 
                                                                             
 
分析:电压表示数为0,其原因有三:(1)电压表没有接好或电压表损坏;(2)小灯L 2短路;(3)小灯L 1断路。起先,电压表有示数,说明不存在原因1的情况。那么还有两种情况都是可能的。答案为:小灯L 2短路;小灯L 1断路。
 
【变式训练7】在如图14所示的电路中,电源电压等于6伏,合上开关后电压表示数为6伏。经分析得出,电路中可能发生的情况是:____________。
 
                                                                     
 
参考答案:R断路或L短路
 
【例8】在如图15所示的电路中,电源电压不变。闭合电键K后,灯L 1、L 2都发光。一段时间后,其中一灯突然熄灭,而电流表、电压表的示数都不变,则产生这一现象的原因可能是(   )
 
                                                                           
 
A.灯L 1短路      B.灯L 2短路      C.灯L 1断路      D.灯L 2断路
 
分析:可以采用排除法。小灯L 2短路,会导致电压表示数变小、电流表示数变大;小灯L 2断路,会导致电流表示数变0;小灯L 1短路,会导致两灯都不亮;一灯熄灭而电表示数都不变,只有小灯L 1发生断路时才有此可能。本题正确答案为C。
 
 【变式训练8】在图16所示的电路中,电源电压不变。闭合开关K,电路正常工作。一段时间后,发现其中一个电压表示数变大,则 (   )


                                                                       
 
A.灯L可能变亮        B.灯L亮度可能不变


C.电阻R可能断路      D.电阻R可能短路
 
参考答案:C

四、动态电路分析题与电路故障分析题复习策略
 
1.学会正确分析电路图。首先要让学生养成分析电路图的习惯,无论是静态电路还是动态电路,都要求学生能够独立分析题目给出的电路图中,各个用电器之间是串联还是并联。具体的方法是把电流表简化成导线,将电压表简化成断开的开关或干脆拿掉,把闭合的开关看成导线,把被局部短路的用电器拿掉,把开关断开的支路去掉,从而简化电路。经过电路简化后,电路中基本只出现电源、用电器,电路显得比较简单,把刚才去掉的电表复原上去,明确电压表和电流表分别测量那个用电器的电压和电流。
 
2.正确判断滑动变阻器有效电阻及由于滑片的变化引起的有效电阻的变化。
 
3.熟练掌握串并联电路中电压、电流及电阻的规律。动态电路中涉及的用电器肯定不止一个,必然会运用到串并联电路中电压、电流及电阻的规律,如果学生不能熟练掌握这些规律,那么解题也就无从谈起。
 
4.熟练掌握欧姆定律的运用,尤其是要分析好电路中局部和整体的关系。欧姆定律是解决动态电路的金钥匙,也是电学的基本定律。在动态电路中一般情况下电源的电压都是不变的,滑动变阻器滑片的变化或开关的通断,必然会引起电路中电流的变化,解题思路是先整体后局部,先利用欧姆定律分析整个电路中电流的变化情况,在具体分析每一个用电器的电流电压变化情况。
 
5.理解好断路和短路。很多学生遇到电路故障问题就头痛,原因就是没有理解好怎样才是短路,以及短路对整个电路的影响。所以要想学好电学这部分内容还得深刻理解短路这个概念。
 
总之,无论在日常教学还是在中考复习过程中,都应该加深学生对概念的理解和知识的梳理,深化学生对物理规律的运用,加强学生解题能力的指导和良好解题习惯的培养,提高学生的综合分析能力和整体素质的提高。
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