初中物理竞赛电学辅导专题讲座

第四讲电学（教师使用）一、知识点知识点分项细目电量两种电荷及它们的相互作用，电量及其单位导体和绝缘体导体和绝缘体的区别，常见的导体和绝缘体电流电流的形成及其方向的规定，电流的测量电流的大小及其单位电压电压及其单位，常见电源的电压值电压的测量电路电路的构成及各部分的作用，开路、短路及危害，常用电路元件的符号串联电路和并联电路串联电路与并联电路的连接特点串联电路与并联电路的电流、电压、电阻的特点电阻电阻的定义及单位，决定导体电阻大小的因素变阻器滑动变阻器和电阻箱的构造及其在电路中的作用Ω姆定律电流跟电压及电阻的关系用电流表、电压表测电阻电阻的串并联串联、并联电路中的等效电阻及计算二、例题与练习[例1]运送汽油的汽车，在它的车尾总装有一根铁链条拖在地上，这是为什么？分析与解答：当汽车运行的过程中，汽油会不断地与油槽的壁摩擦，从而使油槽带电.而汽车的后轮是绝缘体橡胶，电荷不能通过它传到地下，会在油槽里越聚越多，当达到一定程时就有可能发出电火花，使极易燃烧的汽油着火燃烧而发生爆炸事故.在车尾装一根铁链条拖在地上，油槽里的电荷可通过铁链传到地下，从而避免产生电火花而引起爆炸事故.[练习1]在潮湿的天气里，做摩擦起电或一些别的静电实验时不容易成功，主是为什么？分析与解答：潮湿的的空气中含有大量的水蒸气，潮湿的空气不再是绝缘体而是导体，静电实验中产生的正负电荷会随时通过潮湿的空气导走，因而静电实验不容易成功.[例2]如图所示，（甲）是一单刀双掷开关的实物图，它的符号如图（乙）所示。图（丙）是单刀双掷开关对电路控制作用的一个实例，当S与“1”接触时，灯泡L1发光，当S与“2”接触时，灯泡L2发光。现有如下器材：一个电源（两极间电压保持不变，但是电压数值未知），一个电阻箱（用R0表示），一个待测电阻（用Rx表示），一个电压表（最大量程大于电源两极间电压），一个单刀双掷开关，导线若干。（1）根据以上所给器材，设计一个能测量并计算出待测电阻Rx的规范电路图（连接好后在实验过程中不能拆卸）。（2）写出测量的操作步骤及所测量的物理量。（3）写出用测量量计算Rx的表达式。分析与解答：依据题意，电压表要分别测出电源电压U，又要测出Rx两端电压Ux，所以电压表连接在双掷开关的中间接点上；再设想Ix＝I0，Rx跟R0必是串联关系，.答案：（1）电路图如右图所示（2）实验步骤：a、按照左图连接实物电路，变阻箱阻值为R0。b、当S与“1”接触时，读出电源电压为U。c、当S与“2”接触时，读出Rx两端电压为Ux。（3）计算Rx值：[练习2]现要测未知电阻Rx的阻值只有电流表、已知定值电阻R0、电池组导线若干和开关两只，而缺少电压表。请设计实验方案，说明测量原理，并画出电路图。分析与解答：两种可行的方案[例3]如图所示的教板上面有两个小灯座，每个灯座的两端接在两个接线柱上，安装两个完全相同的灯泡，都能发光.（1）不许用其他任何仪器，怎样判断它们是串联还是并联？（2）如果只给你一个电压表和导线若干，怎样判断它们是串联还中并联？分析与解答：（1）根据串联、并联电路各自的特点，拧下一只灯泡，若另一只照常亮，则两灯为并联；若另一灯不亮，则两灯为串联.（2）在串联电路中各用电器两端电压之和等于电路总电压，在并联电路中各支路电压和电路总电压相等。将电压表依次接在任意两个接线柱上，测得两接线柱间的电压值，若六次测量值中两次为零，其余四次测量值相等，则两灯并联；若一次为零，四次测量值相等，另一次测量值是上述四次测量值的两倍，则两灯串联.[练习3]如图所示为自动调温电熨斗常见的调温指示灯电路之一。接上电源时，电熨斗底板发热，能熨烫。但指示灯不亮。联入ab的电压表，时而偏转，时而不偏转。此电路的故障可能是：()①指示灯L短路②R断路③灯丝烧断或灯L处断路④电压表未接好分析与解答：③[例4]有如图所示的电阻分布，求①ab两点间的电阻Rab②如果流过4Ω姆电阻的电流为1A。求ab两点间的电压：Uab。分析与解答：①计算a、b之间的电阻可从图右边开始。第一级两个2Ω电阻没接通，故A、B两点间及右部份电阻是4Ω。在第二级C、D右部为5个电阻为2＋2＋2＋2＋4＝12Ω。再和6Ω电阻并联，故C、D间及右部的电阻为4612612CDR。同理：E、F右部电阻REF＝4Ω。最后一级是两个2Ω和一个4Ω的电阻串联。所以a、b间电阻为Rab＝2＋4＋2＝8Ω。②、如果知道流过4Ω电阻的电流为1A，则流过6Ω电阻的电流由并联分流有Icd＝（12/6）×1＝2AUcd＝6×Icd＝12V.同理：求得流过另一6Ω电阻的电流IEF＝6A。故通过最后一级2Ω电阻的电流I＝3A＋6A＝9A。故通过最后一级2Ω电阻的电流I＝3A＋6A＝9A。所以，Uab＝IR总＝8×9＝72(V)[练习4]如图所示，已知R1＝R2＝R3＝……＝Rn＝Rn＋1＝……＝Rm＝Rm＋l＝R/2，R＝40Ω。电源电压60V，则通过Rn的电流大小是。答案：An)2/1(5.1[例5]在图中暗箱内装有灯泡、电阻、电池，面板上有ABCD四个接线柱，为了弄清盒内电路连接情况，把电流表正接线柱始终接在A接线柱不动，负接线柱接B，灯不亮，电流表示数为零；负接线柱接C时，灯亮，电流表有示数；负接线柱接D时，灯光减弱，电流表示数减小。根据上述情况，画出盒内电路图。分析与解答：答案见右图；[练习5]在图中所示盒子中有若干个阻值都是R的定值电阻和导线连成的电路，盒外有4个接线柱ABCD，若测出Rab＝1.5Rac，Rab＝3Rbd。Rcd＝0，试据此画出盒内电阻的接线图(要求所用电阻只数最少)答案见右图：[例6]如图所示，当滑动变阻器的滑片P向右移动时，各电表的示数如何变化？分析与解答：由图可判断出Ｒ2与Ｒ3并联后再与Ｒ1串联，属简单的混联电路，电压表Ｖ1测Ｒ1两端电压，Ｖ2测Ｒ2（同时也是Ｒ3）两端电压，电流表Ａ1测干路电流，Ａ2测通过Ｒ2的电流，Ａ3测通过Ｒ3的电流．推导过程如下：Ｐ右移→Ｒ3↑→Ｒ总↑Ｉ总↓（Ａ1表↓）Ｉ1↓Ｕ1↓（Ｖ1表↓）Ｕ2↑（Ｖ2表↑）Ｉ2↑（Ａ2表↑）Ｉ3↓（Ａ3表↓）电流表Ａ1示数变小，Ａ2示数变大，Ａ3示数变小；电压表Ｖ1示数变小，Ｖ2示数变大．[练习6]如图所示，当滑动变阻器的滑片Ｐ向右移动时，各电表示数如何变化？分析与解答：由图可知，Ｒ2与Ｒ3串联后再与Ｒ1并联，属于简单的混联电路．电压表测电源电压，其示数不变，电流表Ａ1测干路电流，Ａ2测通过Ｒ2、Ｒ3的电流．推导过程如下：Ｐ右移→Ｒ3↑→Ｒ总↑Ｒ23↑Ｉ总↓（A1表↓）Ｉ2↓（A2表↓）电流表Ａ1、Ａ2示数均减小；电压表示数不变．总结∶以上两种类型均属于由滑动变阻器滑片的移动所引起的电表示数变化问题，对这类问题，尽管千变万化，但有规律可循：①电路中总电压不变。②越串联，总电阻越大；越并联，总电阻越小。③原为串联或并联电路，若其中一个是定值电阻，而另一个为可变电阻，则总电阻大小的变化情况与可变电阻大小变化情况一致。[例7]常用的电压表和电流表都是由小量程的电流表改装而成的，已知有一个电流表，本身电阻R等于1000Ω，允许通过的最大电流为100μA，要把它改装成量程为1A的电流表，怎么办?如果把它改装成量程为3V的电压表，又该怎么办?分析与解答：为了使电流表能够测量几个安培甚至更大的电流，可以给它并联一个分流电阻，分掉一部份电流，以免超过电流表的最大电流。计算如下：设电流表允许通过的最大电流Im＝100μA＝0.0001A,在测量1A的电流时，分流电阻R0上通过的电流IR0＝0.9999×R0＝Im×RR0＝0.1Ω，即并联0.1Ω的分流电阻后，就得到量程为1A的电流表。同理，给电流表串联一个分压电阻分担电压。则电流表两端电压1000Ω×0.0001A＝0.1V(所允许加的最高电压。)分压电阻应分担3V－0.1V＝2.9V电压，则分压电阻值为29KΩ。[练习7]两只读数准确的电流表，Ａ１、Ａ２，已知Ａ２的内阻为Ｒg，Ａ１的内阻不知道，若除了电源、可变电阻和导线外，不再使用其他电表，如何测量Ａ１的内阻r？请说出要测量哪些量？画出电路图并写出计算式。分析与解答：将Ａ１、Ａ２并联接入电路，如图。读出Ｉ１、Ｉ２，由Ｉ1r＝I2Rg。得：g12RIIr［练习8］为了确保汽车进出一厂门的安全，在厂外侧安装了额定电压都是220V的红绿交通指示灯，且公路东、西方向均能看到。要求：开关中的触片P与A接触时，公路上的绿灯和正对厂门的红灯同时正常发光；当开关中的触片P和B连通时，公路上的红灯和正对厂门的绿灯同时正常发光。请在图中画出电路连接图。［例9］有一种家用小型彩灯串，由44只小灯泡串联而成接在220V的电源上。①每个小灯泡两端的电压为多少?②人接触任意一个小灯泡是否都安全，为什么?③使用中由于某一小灯泡被烧坏而使全部小灯都熄灭了，因为彩灯上涂有颜色，致使无法看清是哪一只小灯泡的灯丝被烧断。现给你一只电压表，你如何查找故障所在?若手头只有一只相同规格的小灯泡，又应如何查找故障所在?分析与解答：（1）据串联电路的电压特点，则有：VVUnU522044110（U0为各盏灯的电压）（2）对于人体的安全电压U安全≤36V，设人体接触第n’盏灯分得电压为：U’＝U－U安全＝220－36＝184(V)n’＝U’/U0＝184/5＝37盏人可接触的灯数为n”＝n－n’＝44－37＝7盏。即人体可接触第38～44盏灯是安全的。（3）①方法一：用电压表逐一测每个小灯泡两端的电压，当电压表示数为220V时，表明此时电压表所测的灯泡已烧坏。方法二：将电压表的一条线接在电源线上。另一条线依次接触灯泡的各接线点。当电压表示数由0到220V（或220V到0）发生突变时，则电压表接线前后触及的两点之间的小灯泡为烧断的那只。②若只有一只相同的小灯泡时，可接通电源，将这一只灯泡依次与电路中的各小灯泡并联，当这彩灯串发光时，说明此时被并联的灯泡便是断丝的灯泡。[练习9]甲乙两处距离为L千米，其间铺设有通讯线路，每1m长的电线电阻为rΩ，乙处终端接有负载电阻，如果线路中途某两条导线的绝缘层损坏而短路，为了找出损坏位置，给你一台电压为U(约几十伏特)的直流稳压电源和一个量程合适的电流表，你能找出线路在离甲处始端多少千米处损坏?说出你的办法，并求出损坏处的接触电阻。分析与解答：（1）将甲处始端断开，乙处终端亦将负载电阻撤除，并在终端处接上直流稳压电源（输出电压为U伏特），将电流表串联在电路中测得电流强度为I，设通迅线路损坏处的接触电阻为R，L’为损坏处离甲处始终的距离（如图1）则有：RrLLIU)'(2[1]①（2）终端（乙处）断开，在甲处始端接上直流稳压电源（输出电压为U伏特），将电流表串联在电路中测得电流强度为I2（如图）则有U＝I2（2L’r＋R）②解①和②可得：UIrIIILL211242'UIIIILrR21212[例10]如图所示为自动测定油面高度的装置原理图，其中R为滑动变阻器，Ro为校准电阻，A为油量表(实际上是一只量程为0—0．6A的电流表)。如果电源电压120V，当油箱内油面高度在最高或最低位置时，滑动变阻器的滑片P恰好能分别滑至两端，且油箱内油面达到最低位置时，电流表的示数为0．1A。求：(1)校准电阻R。的阻值应为多大?(2)滑动变阻器的阻值变化范围多大?(3)若油箱内油面最高为1．20m，最低为0．20m，应在电流表上何处刻上最大及最小油量值?若油箱的横截面积为2．0m2，这两个油量值分别是多少?(4)当油箱内油量值为1．4m3时，滑动变阻器的滑片P恰在中点，AR0RPA损坏处电源A电源L'L'甲乙甲乙则这一油量值应对应电流表刻度的何处?分析与解答：（1）200.6A01200VIUR（2）1'RRUI所以1000200.1A0120'0VRIUR则滑动变阻器的阻值变化范围为0～1000Ω（3）油箱内油面最高处应对应电流表的0.6A，最低处应对应电流表的0.1A。因为油箱的横截面积为2.0m2，所以最大油量值为1.2m×2m2＝