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高二物理(粤教版) 必修第三册 第四章 闭合电路 第五节
家庭电路与安全用电 学案
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【学习目标】
1.知道家庭电路的组成和各部分的作用,会正确连接电灯、开关和插座。
2.会读电能表,会用电能表的参数计算电能和电功率,会算实际功率。
3.知道电流过大的两个原因,理解保险丝、空气开关和漏电保护器的工作原理和分工。
4.知道触电的类型和安全用电原则,会正确使用测电笔,会用测电笔判断电路故障。
5.会计算电热器的档位功率和加热效率,会区分纯电阻和含电动机的用电器。
题目分层:每个知识点按题型分类,先做基础题,再做中等题。
➤ 知识点 1 家庭电路的组成和连接
【知识梳理】
1.进户线:从供电线路引入家里的两根线,一根叫火线(L),一根叫零线(N);三线制线路还有一根地线(PE)。我国家庭电路使用交流电,电压 220 V,频率 50 Hz(220 V 指有效值)。火线与零线之间、火线与大地之间的电压都约为 220 V,零线与大地之间的电压约为 0。
2.组成顺序:进户线 → 电能表 → 总开关(断路器)→ 保护装置(保险丝或空气开关、漏电保护器)→ 各支路的用电器和插座。电能表在总开关之前,是为了计量全家消耗的电能;总开关在保护装置之前,是为了检修时能切断整个电路。
3.用电器之间并联:每个用电器两端的电压都是 220 V,能独立工作、互不影响。开关与它控制的用电器串联,并且开关必须接在火线上,这样断开开关后用电器不再与火线相连,更换灯泡、检修更安全。
4.螺口灯座:螺旋套接零线,灯座顶端的金属片经开关接火线。这样人手碰到螺旋套也不会触电。
5.插座:两孔插座“左零右火”;三孔插座“左零右火上接地”。三脚插头中最长的那只脚接用电器的金属外壳,插入时最先接地、拔出时最后离开地线。
6.总电流:并联的用电器越多,总电阻越小,干路总电流越大。总功率 P总=P1+P2+…,总电流 I=P总/U。
【典例精析】
典例 某家庭电路中同时工作的用电器有:空调 1100 W,电饭锅 880 W,电视机 132 W,4 盏 22 W 的节能灯。(1)这些用电器是 联的;(2)干路中的总电流为 A。
【分析】(1)家用电器都是并联的。(2)总功率 P总=1100+880+132+4×22=2200 W,I=P总/U=2200 W÷220 V=10 A。
【基础】
◆ 电压、连接方式
1.我国家庭电路的电压是 V,各用电器之间是 联的,开关与它控制的电灯是 联的,开关应接在 线上。
2.关于家庭电路,下列说法正确的是( )
A.电能表应安装在总开关之后
B.控制电灯的开关接在零线上也同样安全
C.螺口灯座的螺旋套应接零线
D.三孔插座的上孔应接火线
3.用测量工具测得:火线与零线之间的电压为 V,火线与大地之间的电压约为 V,零线与大地之间的电压约为 V。
◆ 总电流计算
4.家里有 5 盏“220 V 40 W”的灯同时正常工作,干路中的电流为 A;若再打开一台“220 V 1100 W”的电热水器,干路电流增大到 A。
【中等】
◆ 电压、连接方式
5.关于三孔插座和三脚插头,下列说法错误的是( )
A.三孔插座的上孔与大地相连
B.三脚插头最长的脚与用电器的金属外壳相连
C.把三脚插头最长的脚掰掉后插入两孔插座使用,不影响安全
D.插入插头时,接地的脚最先与地线接通
◆ 总电流计算
6.小明家的空气开关额定电流为 16 A。家里正在工作的用电器总功率为 2200 W,他想再打开一台 2000 W 的电暖器。(1)打开电暖器后干路电流约为 A;(2)空气开关 (选填“会”或“不会”)跳闸;(3)这条线路允许同时工作的用电器总功率最大为 W。
◆ 连线作图
7.如图,请用笔画线代替导线,把电灯、开关和三孔插座正确接入家庭电路(开关控制电灯)。
➤ 知识点 2 电能表、电功和电功率
【知识梳理】
1.电能表测量用电器消耗的电能(电功)。单位:千瓦时(kW·h),俗称“度”。1 kW·h=3.6×106 J。
2.读数:表盘最后一位(通常是红框)是小数。一段时间内消耗的电能=两次读数之差。
3.铭牌参数:“220 V”是额定电压;“10(40) A”表示标定电流 10 A、额定最大电流 40 A,电路中允许接入的最大总功率 Pmax=220 V×40 A=8800 W;“3000 r/(kW·h)”表示每消耗 1 kW·h 的电能,转盘转 3000 转(电子式电能表写成 imp/(kW·h),表示指示灯闪烁的次数)。
4.用电能表测功率:只让待测用电器工作,数出时间 t 内转了 n 转,则 W=n/N kW·h,P=W/t。注意单位:W 用 kW·h、t 用 h,得到的 P 单位是 kW。
5.电功和电功率公式:W=UIt=Pt,P=UI。对纯电阻用电器还有 P=U2/R=I2R。
6.额定功率和实际功率:用电器在额定电压下工作的功率叫额定功率。电阻不变时,P实=(U实/U额)2P额,电压变为原来的 90%,功率变为原来的 81%。
【典例精析】
典例 如图是小红家的电能表。她只让家里的电水壶工作,3 min 内电能表转盘转了 150 转。(1)电能表的示数为 kW·h;(2)电水壶消耗的电能为 kW·h,合 J;(3)电水壶的功率为 W。
【分析】(1)最后一位是小数,读 126.5 kW·h。(2)W=150/3000 kW·h=0.05 kW·h=0.05×3.6×106 J=1.8×105 J。(3)t=3 min=0.05 h,P=0.05 kW·h÷0.05 h=1 kW=1000 W。
【基础】
◆ 单位换算和读数
8.1 kW·h= J;某用电器消耗了 7.2×106 J 的电能,合 度。
9.小华家电能表月初示数为 1236.5 kW·h,月末示数为 1386.5 kW·h。本月用电 度,若电价为 0.6 元/度,应交电费 元。
◆ 铭牌参数
10.例题中的电能表允许接入用电器的最大总功率为 W;它的转盘转 600 转,表示用电器消耗了 kW·h 的电能。
◆ 电功率计算
11.一只电热水壶的铭牌标有“220 V 1100 W”,它正常工作时的电流为 A,电阻为 Ω,正常工作 10 min 消耗的电能为 J。
【中等】
◆ 铭牌参数
12.某电子式电能表标有“1600 imp/(kW·h)”。只让一台电视机工作 6 min,指示灯闪烁了 32 次,电视机消耗的电能为 kW·h,电视机的功率为 W。
◆ 电功率计算
13.第 11 题中的电热水壶(“220 V 1100 W”,电阻不变)在用电高峰时,实际电压只有 198 V,它的实际功率为 W。
14.一台电视机待机功率为 0.5 W,每天待机 20 h,一年(按 365 天计)待机消耗的电能为 kW·h。
15.关于电功和电功率,下列说法正确的是( )
A.用电器的电功率越大,消耗的电能一定越多
B.电能表是测量电功率的仪表
C.电功率表示电流做功的快慢
D.额定功率大的灯泡一定比额定功率小的灯泡亮
➤ 知识点 3 电流过大的原因和保护装置
【知识梳理】
1.家庭电路中电流过大的两个原因:① 短路:火线和零线直接相连(例如绝缘皮破损、插座进水),电路中电阻几乎为零,电流非常大;② 用电器总功率过大(过载):同时使用的大功率用电器太多,由 I=P/U 可知总电流过大。
2.保险丝:用电阻率较大、熔点较低的铅锑合金制成,串联在火线上。电流过大时,由 Q=I2Rt 产生较多的热,保险丝熔断,切断电路。不能用铜丝、铁丝代替保险丝(熔点高,电流过大时不能熔断)。选保险丝时,额定电流应等于或稍大于电路中正常工作的最大电流。
3.空气开关(断路器):电流过大(短路或过载)时自动断开,排除故障后可以手动复位,不用更换,现在家庭普遍使用。
4.漏电保护器:检测火线和零线中的电流。正常时两者相等;如果有电流经人体或外壳流入大地(漏电),火线电流就大于零线电流,差值(漏电电流)超过动作值(家用一般为 30 mA)时,漏电保护器迅速切断电路。
5.分工:空气开关管“电流过大”(短路、过载);漏电保护器管“漏电”(电流流入大地)。人站在绝缘体上、两手分别接触火线和零线(双线触电)时,火线和零线电流仍然相等,漏电保护器不会动作,空气开关也不一定跳闸,非常危险。
【典例精析】
典例 某家庭电路中,漏电保护器检测到火线中的电流为 5.03 A,零线中的电流为 5.00 A。(1)漏电电流为 mA;(2)若漏电保护器的动作电流为 30 mA,它 (选填“会”或“不会”)切断电路。
【分析】(1)漏电电流=5.03 A-5.00 A=0.03 A=30 mA。(2)达到动作电流,漏电保护器会切断电路。这 30 mA 的电流正是经过其他途径(可能是人体)流入了大地。
【基础】
◆ 电流过大的原因
16.家庭电路中电流过大的原因有两个:一是 ,二是 。
◆ 保险丝和空气开关
17.关于保险丝,下列说法正确的是( )
A.保险丝应串联在零线上
B.保险丝熔断后可以用铜丝代替
C.保险丝是利用电流的热效应工作的
D.保险丝越粗越安全
18.空气开关“跳闸”后,正确的做法是 , (选填“能”或“不能”)立即合上。
【中等】
◆ 电流过大的原因
19.家里其他用电器都已关闭,小明把电水壶的插头插入插座时一切正常,闭合电水壶的开关后,空气开关立即跳闸。原因可能是( )
A.电水壶的功率太大
B.插头内部两根导线相碰(短路)
C.电水壶内部电热丝的两个接线端相碰(短路)
D.插座的接地线断了
◆ 保险丝和空气开关
20.导线连接处如果接触不良,连接处的电阻会 ,由 Q=I2Rt 可知,在电流相同时连接处产生的热量 ,容易引起火灾。
◆ 漏电保护器
21.下列情况中,漏电保护器不会切断电路的是( )
A.人站在地上,一只手接触到火线
B.洗衣机金属外壳漏电,电流经接地线流入大地
C.人站在干燥的木凳上,两只手分别接触火线和零线
D.热水器漏电,有电流经水管流入大地
➤ 知识点 4 安全用电和测电笔
【知识梳理】
1.触电:一定强度的电流通过人体造成的伤害。电流越大、时间越长越危险,30 mA 以上的电流通过人体就有生命危险。人体电阻一般为几千欧,皮肤潮湿时会大大减小,所以不能用湿手触碰开关和用电器。对人体安全的电压不高于 36 V。
2.低压触电的两种情况:① 单线触电:人站在地上,接触了火线,电流从火线经人体流入大地;② 双线触电:人同时接触火线和零线。
3.高压触电:高压电弧触电(靠近高压带电体时空气被击穿)、跨步电压触电(高压线落地,人走近时两脚间有电压)。安全用电原则:不接触低压带电体,不靠近高压带电体。
4.测电笔(试电笔):用来辨别火线和零线。使用时,手接触笔尾金属体,笔尖接触导线,氖管发光的是火线。测电笔内有一个阻值很大的电阻(约 1 MΩ),与氖管、人体串联,电流非常小,所以使用时人不会触电。手不能碰到笔尖金属体。
5.金属外壳接地:有金属外壳的用电器(洗衣机、电冰箱、电热水器)要用三脚插头接地。外壳一旦漏电,人体和接地线并联,接地线电阻远小于人体电阻,电流绝大部分从地线流走,同时漏电保护器动作。
6.发现有人触电:先切断电源,或用干燥的木棍等绝缘体挑开电线,不能直接用手去拉触电的人。电器起火要先断电再灭火,不能直接泼水。
【典例精析】
典例 如图,闭合开关 S 后电灯不亮。用测电笔分别测试 a、b、c、d 四点。
(1)若 a、b 两点氖管发光,c、d 两点不发光,故障是 。
(2)若四个点氖管都发光,故障是 。
【分析】(1)b 点能与火线相通,c 点与火线不相通,断点在 b、c 之间,即灯泡断路(灯丝断了)。(2)四个点都与火线相通,说明灯泡完好、开关闭合,电流无法流回,故障是进户零线断路(在 d 点左侧,靠近进户线的零线断了)。
【基础】
◆ 安全常识
22.对人体安全的电压是 。家用电器的金属外壳要 。发现有人触电,首先应 。
23.下列做法符合安全用电原则的是( )
A.用湿抹布擦拭正在工作的电视机
B.在高压线附近放风筝
C.更换灯泡前先断开开关
D.多个大功率用电器同时使用一个插线板
◆ 测电笔
24.使用测电笔时,手必须接触 ,笔尖接触被测导线,如果氖管发光,说明接触的是 线。
【中等】
◆ 测电笔
25.测电笔内电阻为 1.1×106 Ω,人用测电笔接触火线时,通过人体的电流约为 A,合 mA。这个电流对人体 (选填“有”或“没有”)危险。(人体电阻和氖管电阻忽略不计)
26.在例题的电路中,若闭合开关后电灯不亮,用测电笔测 a 点氖管发光、测 b 点氖管不发光,则故障可能是 。
◆ 金属外壳接地
27.洗衣机金属外壳漏电,外壳与大地之间的电压为 200 V。若外壳没有接地,人站在地上接触外壳,人体电阻为 2000 Ω,通过人体的电流为 mA;若外壳已接地,接地线电阻为 2 Ω(可以认为外壳对地电压由接地线决定,人与接地线并联),通过人体的电流是通过接地线电流的 。
➤ 知识点 5 家用电器的计算(档位和效率)
【知识梳理】
1.电热器档位:电源电压一定,由 P=U2/R 可知,电路总电阻越小,功率越大,是高温档;总电阻越大,是低温档。两个电阻并联(或只用一个电阻、另一个被短路)时电阻小,是高温档;串联时电阻大,是低温档。
2.加热效率:η=Q吸/W×100%,水吸收的热量 Q吸=cmΔt,c水=4.2×103 J/(kg·℃)。
3.含电动机的用电器(电风扇、洗衣机):输入功率 P入=UI,线圈发热功率 P热=I2R,输出的机械功率 P机=P入-P热。电动机正常转动时 I<U/R,不能用 U2/R 算总功率。电动机被卡住不转时变成纯电阻,电流很大,容易烧坏。
【典例精析】
典例 如图是某电热器的简化电路,R1=44 Ω,R2=176 Ω,电源电压 220 V。(1)闭合 S1、S2 时是 温档,功率为 W;(2)只闭合 S1 时是 温档,功率为 W。
【分析】(1)S2 闭合把 R2 短路,只有 R1 工作,电阻小,是高温档:P=2202÷44=1100 W。(2)S2 断开,R1、R2 串联,总电阻 220 Ω,是低温档:P=2202÷220=220 W。
【基础】
◆ 档位判断
28.电热器在电压一定时,总电阻越 ,功率越大。两个电热丝 联时是高温档, 联时是低温档。
◆ 加热效率
29.用 1400 W 的电热水壶把 2 kg 的水从 20 ℃ 加热到 100 ℃,水吸收的热量为 J;若加热效率为 80%,需要加热 s。
【中等】
◆ 档位判断
30.例题中的电热器,低温档工作 1 h 消耗的电能为 kW·h,高温档工作 1 h 消耗的电能是低温档的 倍。
◆ 电动机
31.一台电风扇铭牌标有“220 V 44 W”,线圈电阻为 2.5 Ω。正常工作时:(1)通过线圈的电流为 A;(2)线圈的发热功率为 W;(3)输出的机械功率为 W。
32.上题中的电风扇如果扇叶被卡住不能转动,通过线圈的电流将变为 A,这时线圈的发热功率为 W,很容易烧坏电动机。
课后练习
建议用时 35 分钟。
1.家庭电路中,电灯、电视机、电冰箱等用电器是 联的;控制电灯的开关应接在 线与电灯之间;三孔插座的上孔应接 线。
2.下列关于家庭电路的说法中,正确的是( )
A.家庭电路中各用电器是串联的
B.空气开关跳闸一定是发生了短路
C.漏电保护器能防止双线触电
D.有金属外壳的用电器要使用三脚插头
3.某电能表上标有“220 V 20(40) A”和“2500 r/(kW·h)”,这个电能表允许接入的最大总功率为 W。只让一个用电器工作 10 min,转盘转了 250 转,该用电器的功率为 W。
4.一只“220 V 100 W”的白炽灯,正常工作时的电阻为 Ω;接在 110 V 的电路中,实际功率为 W(灯丝电阻不变)。
5.小芳家的保险丝经常熔断,原因可能是( )
A.电路中某处断路
B.电路中用电器的总功率过大
C.开关接在了零线上
D.灯泡的灯丝断了
6.在家庭电路中,下列做法错误的是( )
A.用测电笔辨别火线时,手接触笔尾金属体
B.家用电器失火时,先切断电源再灭火
C.用铜丝代替熔断的保险丝
D.不在电线上晾衣服
7.某家庭电路中,漏电保护器检测到火线中的电流为 2.250 A,零线中的电流为 2.215 A,漏电电流为 mA,若动作电流为 30 mA,漏电保护器 (选填“会”或“不会”)切断电路。
8.一台家用电热水器有高、低两档。高温档功率为 2000 W,低温档功率为 800 W。用高温档把 40 kg 的水从 20 ℃ 加热到 45 ℃,水吸收的热量为 J;若加热效率为 84%,需要加热 min。
9.一台电动机正常工作时两端电压为 220 V,通过的电流为 5 A,线圈电阻为 2 Ω。电动机的输入功率为 W,线圈发热功率为 W,输出的机械功率为 W,效率为 。
10.用测电笔测试插座的两个孔,发现两个孔都能使氖管发光,而插座上的台灯不亮。已知火线和台灯都完好,故障可能是 。
高二物理(粤教版) 必修第三册 第四章 闭合电路 第五节
家庭电路与安全用电 参考答案与解析
学案中的典例已在学案上给出分析,这里列出针对训练和课后练习的答案与解析。
➤ 一、针对训练
知识点 1 家庭电路的组成和连接
1.220;并;串;火
【解析】开关接火线,断开后灯不带电。
2.C
【解析】电能表在总开关之前;开关必须接火线;螺旋套接零线;三孔插座上孔接地线。
3.220;220;0
【解析】零线在变电站处接地,所以零线与大地间电压约为 0。
4.0.91(或 10/11);5.91
【解析】5×40=200 W,200÷220≈0.91 A;1100÷220=5 A,总电流约 5.91 A。
5.C
【解析】掰掉接地脚后,金属外壳一旦漏电,人碰到外壳就会触电。
6.(1)19.1;(2)会;(3)3520
【解析】(2200+2000)÷220≈19.1 A>16 A,会跳闸;Pmax=220 V×16 A=3520 W。
7.见答案图:开关一端接火线,另一端接灯泡;灯泡另一端接零线;三孔插座上孔接地线,左孔接零线,右孔接火线。
【解析】口诀:火线进开关,零线进灯头;三孔插座左零右火上接地。
知识点 2 电能表、电功和电功率
8.3.6×106;2
【解析】7.2×106÷3.6×106=2 kW·h=2 度。
9.150;90
【解析】1386.5-1236.5=150 kW·h,150×0.6=90 元。
10.8800;0.2
【解析】220 V×40 A=8800 W;600÷3000=0.2 kW·h。
11.5;44;6.6×105
【解析】I=1100÷220=5 A,R=220÷5=44 Ω,W=1100 W×600 s=6.6×105 J。
12.0.02;200
【解析】32÷1600=0.02 kW·h;6 min=0.1 h,P=0.02÷0.1=0.2 kW=200 W。
13.891
【解析】P=U2/R=1982÷44=891 W;也可以用 (198/220)2×1100=0.81×1100=891 W。
14.3.65
【解析】0.5 W×20 h×365=3650 W·h=3.65 kW·h。
15.C
【解析】消耗电能还与时间有关;电能表测电能;灯泡亮暗由实际功率决定。
知识点 3 电流过大的原因和保护装置
16.短路;用电器总功率过大(过载)
【解析】见知识梳理。
17.C
【解析】保险丝串联在火线上;铜丝熔点高,起不到保护作用;保险丝太粗,额定电流太大,电流过大时也不熔断。
18.先找出原因、排除故障后再复位;不能
【解析】不排除故障就合闸,还会跳闸,甚至引起火灾。
19.C
【解析】插上插头时没有跳闸,说明插头和插座没有短路,B 错;闭合开关后才跳闸,说明短路发生在开关后面的电水壶内部,C 对。家里只有电水壶一个用电器在工作,总功率不会过大,A 错;接地线断了不影响火线、零线中的电流,不会跳闸,D 错。
20.变大;变多
【解析】接触不良,接触面积变小,电阻变大,发热变多。
21.C
【解析】A、B、D 都有电流流入大地,火线和零线电流不相等;C 中电流从火线经人体流回零线,火线和零线电流相等,漏电保护器不动作。
知识点 4 安全用电和测电笔
22.不高于 36 V;接地;切断电源
【解析】见知识梳理。
23.C
【解析】A 湿抹布导电;B 靠近高压带电体;D 插线板过载,导线发热。
24.笔尾金属体;火
【解析】手接触笔尾金属体,人体才能和测电笔构成通路。
25.2×10-4;0.2;没有
【解析】I=220 V÷(1.1×106 Ω)=2×10-4 A=0.2 mA,远小于有危险的电流。
26.开关接触不良(开关处断路)
【解析】a 点与火线相通,b 点不通,断点在 a、b 之间,即开关处断路。
27.100;1/1000
【解析】200 V÷2000 Ω=0.1 A=100 mA,非常危险。并联时电流与电阻成反比,I人/I地=2/2000=1/1000,绝大部分电流从接地线流走。
知识点 5 家用电器的计算(档位和效率)
28.小;并;串
【解析】P=U2/R。
29.6.72×105;600
【解析】Q吸=4.2×103×2×80=6.72×105 J;W=Q吸/η=8.4×105 J,t=W/P=600 s。
30.0.22;5
【解析】0.22 kW×1 h=0.22 kW·h;1100÷220=5。
31.(1)0.2;(2)0.1;(3)43.9
【解析】I=44÷220=0.2 A;P热=0.22×2.5=0.1 W;P机=44-0.1=43.9 W。
32.88;19360
【解析】卡住后电动机相当于 2.5 Ω 的纯电阻:I=220÷2.5=88 A,P=882×2.5=19360 W(实际上保险装置会迅速切断电路)。
➤ 二、课后练习
1.并;火;地
【解析】见知识点 1。
2.D
【解析】用电器并联;跳闸也可能是总功率过大;双线触电时火线、零线电流相等,漏电保护器不动作。
3.8800;600
【解析】220×40=8800 W;250÷2500=0.1 kW·h,10 min=1/6 h,P=0.1÷(1/6)=0.6 kW=600 W。
4.484;25
【解析】R=2202÷100=484 Ω;电压减半,功率变为 1/4,为 25 W。
5.B
【解析】保险丝熔断是因为电流过大:短路或总功率过大。断路时电流为零。
6.C
【解析】铜丝熔点高,电流过大时不熔断,起不到保护作用。
7.35;会
【解析】2.250-2.215=0.035 A=35 mA>30 mA。
8.4.2×106;41.7(约 42)
【解析】Q吸=4.2×103×40×25=4.2×106 J;W=4.2×106÷0.84=5×106 J;t=5×106÷2000=2500 s≈41.7 min。
9.1100;50;1050;95.5%
【解析】P入=220×5=1100 W;P热=52×2=50 W;P机=1050 W;η=1050÷1100≈95.5%。
10.进户零线断路
【解析】零线断后,插座零线孔通过台灯与火线相连,也会使氖管发光,但电路不通,台灯不亮。
家庭电路与安全用电 学案 第 1 页
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