学以致用的电路综合问题，本文主要内容关键词为：学以致用论文,电路论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
如何运用所学的物理概念、规律和科学方法，去解决社会生活、生产技术中甚至科学研究中的具体问题，提高学生的科学素质，是新课标的方向，也是近年来高考命题的热点。联系实际，学以致用，有利于培养学生创新意识和实践能力的培养。本文例析若干联系实际学以致用的电路综合问题。
一、联系生活、科技应用类
例1 （电饭煲电路）如图1是电饭煲的电路图，
是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103℃)时，会自动断开。
是一个自动控温开关，当温度低于70℃时，会自动闭合；温度高于80℃时，会自动断开。红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯。分流电阻
，加热电阻丝
，两灯电阻不计。
图1
(1)分析电饭煲的工作原理。
(2)简要回答，如果不闭合开关，能将饭煮熟吗？
(3)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。
解析 (1)电饭煲盛上食物后，接上电源，自动闭合，同时手动闭合，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态。加热到80℃时，自动断开，仍闭合；水烧开后，温度升高到103℃时，开关 自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态。由于散热，待温度降至70℃时，自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80℃时，又自动断开，再次处于保温状态。
(2)如果不闭合开关，则不能将饭煮熟，因为只能加热到80℃。
(3)加热时电饭煲消耗的电功率
，保温
例2 （电烙铁电路）在日常生活中使用的电烙铁的烙铁头是用一种合金制成，试根据以下材料回答下列问题：
(1)合金，是不同金属（也包括一些非金属）在熔化状态下形成一种熔合物或冷却后固体，下列金属难与表中其他金属形成二元合金的元素是（ ）
A.FeB.ZnC.AgD.W
元素 Fe Cu Zn
Ag
Au W
熔点／℃13351083419.5960.510633380
沸点／℃30002959 907 2212 27075627
图2
(2)在长时间使用电烙铁的过程中，当暂时不使用时，如果断开电源，电烙铁将很快变凉，再次使用时温度将不能及时达到要求；如果不断开电源，则浪费电能。因此，一位同学将电路改成如图2所示的形式，其中
为定值电阻，P′为电烙铁。暂时不使用电烙铁时，断开开关S，再次使用时闭合开关S。这样既能起到预热作用，又可节省电能，试用你学过的电学知识说明其道理。
解析 (1)由表中所列各金属熔点和沸点可以看出，Zn的熔点低于其他金属熔点，而W的熔点均高于各金属的沸点，所以Zn和W很难与表中金属形成合金。故选项B、D正确。
(2)当暂时不用电烙铁时，断开开关S，这时，与R′串联，电路电阻增大，根据公式
可知，电源电压一定，电阻增大时，电功率减小，在相同时间内，其消耗的电能减小，从而节省电能。同时，与 R′串联，使电烙铁在低于额定电压下工作，保持温度不太低，当开关S闭合时，被短路，电烙铁就在额定电压下工作，很快升温。于是，该电路既可节约电能，又可起到预热作用。
图3
例3 （电热灭蚊器）在家用的电热灭蚊器的电热部分的电路中，串联有一个元件是PTC元件，它是一个热敏电阻器，其电阻率随温度变化的关系如图3所示，由于这种特性，它具有温控功能。对于PTC元件在电热灭蚊器中的作用，以下说法中正确的是：
(1)通电后其功率先增大，后减小。
(2)通电后其功率先减小，后增大。
(3)当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在
不变。
(4)当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在
的某一值不变。
A.(1)(3)B.(2)(3)
C.(1)(4)D.(2)(4)
解析 根据PTC元件的电阻率随温度变化的曲线，可知在常温下它的电阻是相当小的，通入电流后，随着温度升高，它的电阻率先变小，然后迅速增大，考虑电热灭蚊器工作电压220V是不变的，那么它的功率是先变大，然后变小。当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在之间不变。这时候处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，那么温度就会降下来；如果温度再降低，电阻率变小，导致电流变大，那么温度就会升上去。故选项C正确。
例4 （电熨斗原理）一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系，如图4所示。由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物。
图4
有一种用主要成分为
的称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快，能自动控制温度的特点。PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线所示。
(1)为什么原处于冷态的FTC熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？
(2)通电一段时间后，电熨斗温度t自动稳定在 T____＜t＜T____范围内（填下标数字）
(3)简析PTC发热元件的自动控制温度过程。
解析 图线①说明金丝电阻基本上不随温度的变化而变化，图线②在较低的温度时，电阻基本不变，但在某一温度范围内电阻会突变。
(1)由图可知，冷态的PTC电阻比一般电熨斗电阻小，发热功率
（一般情况下是指民用电压，U=220V，是个定值）很大。所以在相同通电时间内，PTC升温快。
(2)由图可知，温度自动稳定在
范围内。
(3)当熨斗温度升高到
后，PTC的电阻急剧增大，电功率变小，此时，如果散热功率大于电功率，熨斗温度会下降，当温度降低时，电阻急剧变小，电功率增长，温度又升高……因而熨斗的温度能稳定在一定范围内。
例5 （商场自动扶梯）某商场安装一台倾角为 30°的自动扶梯，该扶梯在电压为380V的电动机带动下以0.4m/s的恒定速率向斜上方移动，电动机的最大输出功率为4.9kW，不载人时测得电动机中的电流为5A。若载人时扶梯的移动速率和不载人时相同，则这台自动扶梯可同时乘载的最多人数为 ____。（设入的平均质量为
）
解析 依题意，电动机以最大输出功率工作，且电动机做功包括两部分内容：一是电动机不载人时自动上升，二是对人做功。根据能量守恒，有
二、设计创新实验
例6 （双线电缆故障检测）A、B两地间铺有截面积为S的铜质通讯电缆，长为L，它是由两条并在一起彼此绝缘的均匀导线组成，通常称为双线电缆。在一次事故中，经检查断定是电缆上某处的绝缘保护层损坏，导致两条线之间漏电，相当于该处电缆的两导线之间接了一个电阻。现有如下器材： A.多用电表（作电流表或电压表使用时可视为理想电表）B.电压恒为的稳压电源C.滑动变阻器D.导线。请设计一种测定故障位置的实验方案。
(1)所需实验器材（填字母代号）____。
(2)写出主要测量步骤及应记录的数据。
(3)推导出漏电处距A端的距离跟所测物理量关系的表达式。
解析 (1)ABD
(2)测压法1：①在A端的双线间接电源
，在B端用内阻很大的电压表测出两线间的电压
；②再在B端接电源，在A端用电压表测出两线间的电压
。
测压法＋测阻法2：①令B端的双线断开，在A处测出双线两端的电阻
；②令A端的双线断开，在B处测出双线两端电阻
；③在A端的双线间接电源，在B端用内阻很大的电压表测出两线间的电压。
图５
(3)测压法1：画示意图 5，设双线电缆每单位长度的电阻为r，漏电处电阻为 R，漏电处距A端为x，则
例7 （力电转换器）某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k）如图6所示。测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时输出电压为零；而后在受压面上入放一个物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。
图6
现有下列器材：力电转换器、质量为
的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池一个、开关及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面）。
请在如图7所示的方框内完成对该物体质量的测量。
(1)设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调节范围尽可能大，在图2-7-7方框中画出完整的测量电路图。
(2)简要说明测量步骤，求出比例系数K，并测出待测物体的质量。
(3)请设想实验中可能会出现的一个问题。
析与解 (1)为使力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，输入端滑动变阻器应接成分压式电路。为测定输出电压，应在输出端接电压表。设计电路图如图8所示。
(2)测量步骤与结果：
a.调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零。
b.将砝码放在转换器上，记下输出电压，则
。
c.将待测物放在转换器上，记下输出电压U，测得U，代入k得
。
(3)力电转换器作为一种测量装置就有量程和零误差问题，所以实验中可能会出现的问题有：a.待测物体质量超出转换器量程。b.因电源电压不够而输出电压调不到零。
评析 (1)此题考查了学生将实际问题转化为物理问题的能力。同时考查了学生在应用基本测量工具和仪器自己设计实验方案的能力。它涉及到对实验原理认识和加工、实验器材的选择、实验步骤的安排、电路的设计、实验数据处理及发现实验中出现的问题、解决问题的创造能力，是一道新型的理论联系实际与实验设计相结合的好题。
(2)本题同时考查了自学能力和理解能力。首先通过阅读题意弄清这个新型力一电转换器的特点：即两端输出电压与压力成正比，当放一个物体时压力就等于重力。从而推理出电压与物体的质量成正比。再结合题目要求电压调节范围尽可能大，便可想到应设计成分压式电路，才能达到题目的要求。