19.3 跨学科实践：为家庭电路做设计（导学案）物理新教材人教版九年级全一册

第3节 跨学科实践：为家庭电路做设计（导学案） 【学习目标】 1. 能根据用电器铭牌识别额定功率，估算家庭总用电负荷与实际最大功率（引入同时使用系数0.5~0.8）；理解分支回路独立运行的意义，知道大功率用电器应设置独立回路、照明与插座宜分路设计；能运用 I=P/U推算各回路电流，知道导线横截面积需与负载电流匹配，断路器额定电流应与回路负载和导线载流量相协调；能综合运用家庭电路组成、连接规则和安全用电原则，完成一份简单的家庭电路设计方案。 2. 经历“需求调查—负荷估算—回路划分—器材选型—方案论证”的工程设计过程，体会“从计算到设计”的思维跃迁；能在“安全性”与“经济性”之间作出权衡，理解“导线并非越粗越好”的工程判断；能对设计方案中的过载风险、漏电风险和检修便利性作出初步评估。 3. 能设计调查表格，收集家中主要用电器的功率和使用信息；能在小组中讨论并形成回路划分方案，绘制包含房间布局、元件符号、线路走向和回路标注的设计草图；能对他人方案提出基于物理原理和安全规范的质疑与改进建议。 4. 在调查和设计中养成“先估算、再选型、后复核”的严谨习惯；通过住宅电气设计规范的历史演进和漏电保护器推广的成效，体会标准、规范与工程伦理对生命安全的基础性保障作用；形成“设计服务于人、安全优先于便利”的价值取向。 【学习重点】 1. 调查用电需求，估算家庭总负荷和各回路负载； 2. 合理划分分支回路，运用 I=P/U推算回路电流； 3. 根据回路电流选择导线规格和断路器额定电流，绘制家庭电路设计草图。 【学习难点】 1. 从“解题思维”转向“设计思维”，在多重约束（安全、经济、施工便利）中作出合理取舍； 2. 理解导线截面、断路器额定电流与负载电流三者之间的匹配关系，避免“过大”或“过小”两种偏差； 3. 对设计方案进行基于证据的可行性论证，而非停留在“看起来合理”。 【自主预习】阅读教材《跨学科实践：为家庭电路做设计》，完成以下问题： 1. 家庭电路设计的流程一般为：______→______→______→______，具体包括调查用电需求、估算负荷、划分回路、器材选型、绘制设计图和论证评估。 2. 估算家庭实际最大功率时，不能把各用电器铭牌功率简单相加，而应乘以______（一般取0.5~0.8），再与入户开关容量比较。 3. 家庭总电流的计算公式是 I总=____________；某回路电流的计算公式是 I回路=____________。 4. 住宅设计规范要求：每套住宅进户线截面不应小于______mm²，分支回路截面不应小于______mm²；空调电源插座、一般电源插座与照明应______设计，厨房插座宜设______回路；除壁挂式分体空调外，插座回路应设置______保护装置。 5. 导线、断路器与负载电流的匹配关系是：回路负载电流应______导线载流量；断路器额定电流应______回路计算电流，并与导线载流量相协调。导线并非______越好，断路器并非______越安全。 6. 设计图应包含房间布局、______符号、线路走向和______标注，使施工人员能够看懂。 7. 历史上的触电事故教训推动了规范建设：1975年我国触电死亡人数曾高达______多人；1986年国家标准______发布，此后漏电保护器逐步推广，农村触电死亡人数从1980年的约4000人下降到1998年的______起。 【课堂探究】 探究一、项目提出：从“装修踩坑”进入设计情境 1. 真实问题 家庭装修中常见的电路设计不合理现象： （1）插座数量不足，导致插线板过载； （2）空调与厨房共用回路，频繁跳闸； （3）配电箱未设漏电保护，存在触电风险； （4）导线截面过小，大功率用电器工作时导线发热。 这些问题的共同点是：如果在装修前就被“设计”掉，入住后的安全隐患和麻烦本可以避免。 2. 项目任务 假如你家正在准备装修改造，请根据家庭用电需求，为家庭电路提出一个简单的设计方案。最终产出包括： （1）用电需求调查表； （2）负荷估算与回路划分； （3）器材选型依据； （4）家庭电路设计草图。 特别提醒： 设计不是“画一张好看的图”，而是“做一个安全、合理、能说清依据的方案”。每一个选择都要能回答“为什么这样选”。 【典例1】下列家庭装修中的电路设计做法，不合理的是（ 　） A. 空调设置独立回路 B. 照明与插座分路设计 C. 所有插座回路共用一个断路器 D. 插座回路设置剩余电流保护 【典例2】小红同学在跨学科实践“为家庭电路做设计”活动中提出了多种想法，其中最合理的是（　　） A．干燥的客厅内，各插座内不需要连接保护线 B．为照明线路设计专线，并使用相对较粗的导线 C．客厅中大功率柜式空调单独配备漏电保护器 D．电热水器所在专线使用规格为“2A”的空气开关 探究二、项目分析：设计要考虑什么 1. 设计的三个核心约束 约束类型 具体内容 功能约束 房间布局、用电器种类和数量、使用频率 安全约束 总负荷不超过入户容量；大功率用电器独立回路；插座回路设剩余电流保护；导线与断路器匹配 经济与施工约束 导线并非越粗越好，回路并非越多越好，需在安全裕量与成本之间取得平衡 2. 规范底线（GB 50096—2011 摘录） （1）每套住宅进户线截面不应小于10 mm²； （2）分支回路截面不应小于2.5 mm²； （3）空调电源插座、一般电源插座与照明应分路设计； （4）厨房插座宜设独立回路； （5）除壁挂式分体空调外，插座回路应设置剩余电流保护装置。 这些条文不是“束缚”，而是设计时必须满足的底线。规范是用事故教训换来的。 3. 负荷估算的基本方法 将I总与入户开关容量（常见20 A~40 A，对应约4400 W~8800 W）比较，判断是否需要错峰使用或调整回路分配。 特别提醒： （1）同时使用系数不是精确值，而是对真实使用行为的工程近似。它提醒我们：并非所有用电器会同时以额定功率工作。 （2）估算结果应注明假设条件，不能把估算值当作精确值。 【典例3】某家庭用电器总功率为10000 W，取同时使用系数0.6，实际最大功率约为（ 　） A. 4000 W B. 6000 W C. 10000 W D. 16000 W 【典例4】某家庭实际最大功率约为6000 W，家庭电路电压为220 V，总电流约为（　 ） A. 13.6 A B. 27.3 A C. 60 A D. 6 A 探究三、项目实施（任务一）：调查用电需求与负荷估算 1. 家庭用电调查表 用电器 额定功率/W 数量 所在房间 使用特点 空调 大功率、长时间 电热水器 大功率、长时间 冰箱 长期运行、间歇 厨房电器 大功率、短时 照明灯具 小功率、分散 电视机、电脑 中等功率、较长 2. 负荷估算步骤 （1）统计总功率 P总​； （2）取同时使用系数，计算 P实际； （3）计算总电流 I总=P实际/220 V； （4）与入户开关容量比较，判断是否满足。 3. 识别“大功率用电器清单” 将空调、电热水器、厨房大功率设备等列入“大功率用电器清单”，为回路划分做准备。注意区分： （1）大功率、长时间（如空调、电热水器）——宜独立回路； （2）大功率、短时（如电水壶、微波炉）——可共用一个厨房回路，但需注意同时使用概率。 特别提醒： （1）冰箱铭牌功率不能直接乘24 h，因为冰箱是间歇工作的； （2）空调实际功率与设定温度、室外温度有关，估算时应注明条件； （3）调查数据要注明来源（铭牌/实测/估计）。 【典例5】如图所示是简化后的部分家庭电路的接线图及家中电能表表盘，空气开关允许通过的最大电流为30A，下列说法正确的是（　　） A．该电路允许接入用电器总功率不应高于8800W B．电路中开关与白炽灯是串联的，各插座是并联的，且开关必须接在零线上 C．若闭合开关，灯泡不亮，用试电笔测c点氖管发光，可能是进户线零线断路 D．若让标有“220V 1000W”的空调单独正常工作3min，电能表指示灯闪烁300次 【典例6】在“为家庭电路做设计”的跨学科实践项目中，某实践小组的任务是为一间新书房设计电路。他们计划安装一盏照明灯、一台电脑和一个用于冬天取暖的电暖器。 (1)这些用电器在电路中应采用___________方式连接。 (2)经查阅说明书，电暖器的额定功率为2000W，电脑的额定功率为，照明灯的额定功率为。若它们同时正常工作，则总功率为___________。为该书房支路配备的空气开关的额定电流是20A，书房所在支路的电压为。请你通过计算判断：该支路___________（选填“能”或“不能”）安全承载这三个用电器同时工作。 探究四、项目实施（任务二、三）：划分回路与器材选型 1. 测电笔辨别相线和中性线 1. 回路划分原则 （1）大功率用电器（空调、电热水器、厨房大功率设备）宜设独立回路； （2）照明与插座分路设计； （3）厨房、卫生间插座宜独立回路，并设置剩余电流保护； （4）每个插座回路的插座数量不宜过多。 2. 回路电流与断路器选型 对每个回路： 断路器额定电流应略大于回路计算电流，同时与导线载流量相协调。 示例：某空调回路计算电流为9 A，可选10 A断路器；若选6 A会频繁误跳，选32 A或63 A则过大，不能有效保护导线和用电器。 3. 导线选型 （1）规范底线：分支回路截面不应小于2.5 mm²； （2）导线截面应与回路负载电流匹配，截面越大，载流量越大，但成本、施工难度和资源消耗也越大； （3）导线并非越粗越好，选型应与回路负载匹配，兼顾安全与经济。 4. 三者匹配关系 回路负载电流≤导线载流量 断路器额定电流略大于回路负载电流，且与导线载流量协调 断路器过大不能保护导线，过小则频繁误跳。 特别提醒： （1）“大开关配细线”是严重隐患：导线已经过热，断路器还未动作； （2）“小开关配粗线”虽然安全，但频繁误跳，影响正常使用，也不经济； （3）选型依据应记录在设计说明中，不能只写“凭经验”。 【典例7】跨学科实践：为家庭电路做设计 【项目提出】 小光家正在准备装修改造，请你根据小光家的实际情况，帮助他为家庭电路设计一个安全、节能、合理的方案。并结合物理知识，协助他完成电路的优化。 【项目分析】 (1)小光家厨房有下列用电器，当它们同时正常工作时，要求厨房回路的低压断路器（空气开关）的额定电流至少为___________A。小光观察后发现，这些用电器都使用三脚插头，这样是为了保证用电器连入电路时，其金属外壳与___________相连。表格中的用电器消耗电能最快的是___________，其工作5 min消耗的电能为___________J。 家用电器 功率/kW 数量 电饭煲 0.7 1台 微波炉 0.7 1台 电烤箱 0.8 1台 照明灯 0.02 1盏 电冰箱 0.2 1台 【项目实施】 (2)从安全角度考虑，控制用电器的开关要连接在___________线和用电器之间，并且应在插座分支回路安装___________，当人站在地上不小心接触相线，电流经过人体流入大地，该装置迅速切断电路，对人体起到保护作用。 【展示交流】 (3)请结合家中用电器的调查和使用情况，尝试分析家庭用电安全隐患，总结一条生活中的安全用电原则：___________。 【典例8】小明将电热水壶接入厨房插座，闭合开关后水壶不工作。爸爸检查图甲所示配电箱，发现只有厨房回路的空气开关跳闸。将其复位后，只将电热水壶接入厨房电路进行测试，空气开关再次跳闸。 (1)据此现象，小明初步判断空气开关跳闸的原因是：电热水壶________。 (2)拔掉电源插头后，爸爸拆开壶底座，发现内部线路上有水珠。彻底干燥后调试，电热水壶恢复正常。为避免此故障，使用电热水壶时应注意________。 (3)如图乙所示，电热水壶底部的导线连接装置有铜环①、铜环②和铜柱③。用数字多用表测试发现：①和③之间绝缘，①和②之间有几十欧姆的电阻。由此可知，与水壶金属外壳相连的装置是___________（选填“①”“②”或“③”）。当三脚插头插入插座时，金属外壳与__________相连。一旦外壳漏电，漏电保护器会迅速切断电路。 (4)为理解漏电保护器工作原理，小明查阅资料并分析图丙电路：当站在地上的人在处接触相线时，漏电保护器将检测到通过、两处的电流___________（选填“相等”或“不相等”），从而迅速切断电路。 探究五、项目实施（任务四）：绘制设计草图与展示交流 1. 设计图的基本要素 （1）房间布局：卧室、客厅、厨房、卫生间的位置与尺寸示意； （2）元件符号：灯、开关、插座、空调等； （3）线路走向：标注相线（L）、中性线（N）、保护线（PE），可用颜色或线型区分； （4）回路标注：如“L1 照明”“L2 普通插座”“L3 空调”“L4 厨房插座”。 2. 展示交流的质询维度 （1）总负荷估算是否合理？同时使用系数是否说明？ （2）大功率用电器是否独立回路？插座回路是否有剩余电流保护？ （3）断路器与导线是否匹配？是否存在“大开关配细线”的隐患？ （4）设计图是否能让施工人员看懂？ 3. 设计的评价标准 设计的“好”不在于回路多、导线粗，而在于每一个选择都有依据、每一处安全措施都对应了真实风险。 特别提醒： （1）设计图中应标明回路编号和断路器规格，便于施工和检修； （2）保护线（PE）应使用黄绿双色线标识，相线、中性线用不同颜色区分； （3）展示时要能回答“为什么这样设计”，而不是只展示“设计成什么样”。 【典例9】下列关于家庭电路设计图的说法，不恰当的是（　 ） A. 应标注回路编号和断路器规格 B. 应区分相线、中性线和保护线 C. 只画用电器位置即可，线路走向不重要 D. 应能反映房间布局和元件位置 【归纳整理】 第3节 跨学科实践：为家庭电路做设计 【课堂练习】 1．为家庭电路做设计的跨学科实践活动中，同学们围绕安全用电提出了多种做法。下列说法正确的是（　　） A．大功率用电器要设置单独的分支回路 B．控制灯泡的开关与灯泡的位置可以互换 C．使用试电笔时，不能接触试电笔上的任何金属部分 D．为避免频繁跳闸，家庭总空气开关的额定电流越大越好 2．“为家庭电路做设计”实践活动中，下列做法符合安全用电原则的是（　　） A．临时用电时可以随意接线 B．使用测电笔时能用手触碰笔尾的金属体 C．发现有人触电时，立即用手把他拉开 D．可以用湿毛巾擦拭工作中的用电器 3．装修工人要在家庭电路中各接入一个三孔插座和一个两孔插座，且它们各有一个能控制其通断的开关。要求接入两个插座的用电器可以同时工作且互不影响，下列电路设计正确的是（　　） A B C D 4．（多选）在跨学科实践“为家庭电路做设计”的活动中，同学们所提观点合理的是（　　） A．各分支回路之间是并联的 B．可以同时使用多个大功率用电器 C．不弄湿用电器，不允许损坏绝缘层 D．总功率大的分支回路要选用粗一些的导线 5．在跨学科实践课程中，小明为家庭电路做了如图所示的设计，其中1、2、3、4为四处开关，你觉得不合理的是（     ） A．1 B．2 C．3 D．4 6．下图所示的是家庭电路的一部分。当所有用电器正常工作时，电路中A处和B处的电流大小关系是_____________（选填“>”“<”或“=”）；当站在地上的人不小心接触到C处裸露的电线时，漏电保护器______________（选填“会”或“不会”）切断电路。 7．某跨学科实践小组同学设计学校的课间音乐控制装置。如图所示，采用“定时开关”到达设定时间时，控制的播放器播放音乐，应将“定时开关”接在虚线框_______（填“a”或“b”） 处，同时将电源接在另一处。下课期间播放音乐时，定时开关自动_______（选填“闭合”或“断开”） 所在电路，整个控制使用状态中，指示灯_______（一直/间歇） 处于工作状态，电路中安装指示灯除了显示电路正常外还可以起到______的作用。 8．如图甲所示，虽然设计的是五孔插座，但就是不能同时使用。这是一种安全设计，为了避免因电路保护装置不够、用户安全用电意识不强而造成事故。这样能有效防止插座接入用电器的总功率 。如图乙是电工师傅包里的奇葩插头，据说关键时能保命。把它插入插座后家庭电路被 ，能引起 （选填“空气开关”或“漏电保护器”）立刻“跳闸”。 9．如图所示的家庭电路，两虚线框中连入了电灯和开关，则方框 中为开关；闭合开关后，发现电灯不亮，使用试电笔测试a、b、c三点时试电笔的氖管均发光，测试d点时试电笔的氖管不发光，则该电路的故障为cd之间 。家用电冰箱使用三线插头，可以让金属外壳与插座中的 线相连，以防漏电时对人体造成伤害。 10．如图甲所示，这是某试电笔的结构图，其外壳为透明绝缘体。如图乙所示为家庭电路中的部分电路图，闭合开关后，发现灯不亮，但保险丝完好，可以断定出现的故障是 （选填“断路”或“短路”）。若故障为断路，使用试电笔检查断路的位置：手要接触 ，笔尖分别接触图乙中A、B、C、D，直到氖管不发光，可以断定该点之前的部分与 线（选填“火”或“零”）相连；如果氖管一直发光，则说明 线（选填“火”或“零”）断路。 11．家庭电路中，当电路发生故障时，电工师傅常用一只额定电压为220V的灯泡L0（检验灯泡），放在保险丝位置上，并且断开保险丝，来检查家庭电路中每个支路的情况，如图所示，当S闭合时，再逐一闭合S1、S2、S3（每次只闭合其中的一个开关）时，可能出现下列几种现象，请你根据所提供的现象判断电路的状况（选填：“短路”、“断路”或“正常”）。 （1）L0不亮，说明该支路 ； （2）L0正常发光，说明该支路 ； （3）L0发光呈暗红色，说明该支路 ； （4）家庭电路中所有用电器都工作时，总电阻 （填最大或最小）。 【课后反思】 本节课通过跨学科实践，经历了“调查—估算—回路—选型—绘图—论证”的完整设计过程，学会了用物理知识进行家庭电路设计，理解了导线、断路器与负载电流的匹配关系，体会了规范和安全装置对生命安全的保障作用。 反思：是否从“解题思维”转向了“设计思维”？负荷估算中是否理解同时使用系数的工程含义？能否解释“导线并非越粗越好”“断路器并非越大越安全”？回路划分和器材选型是否有依据，而不是凭感觉？设计图是否能让施工人员看懂？是否体会到规范是用事故教训换来的，设计者应对居住者的安全负责？还有哪些选型计算和方案论证需要进一步强化？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第3节 跨学科实践：为家庭电路做设计（导学案） 【学习目标】 1. 能根据用电器铭牌识别额定功率，估算家庭总用电负荷与实际最大功率（引入同时使用系数0.5~0.8）；理解分支回路独立运行的意义，知道大功率用电器应设置独立回路、照明与插座宜分路设计；能运用 I=P/U推算各回路电流，知道导线横截面积需与负载电流匹配，断路器额定电流应与回路负载和导线载流量相协调；能综合运用家庭电路组成、连接规则和安全用电原则，完成一份简单的家庭电路设计方案。 2. 经历“需求调查—负荷估算—回路划分—器材选型—方案论证”的工程设计过程，体会“从计算到设计”的思维跃迁；能在“安全性”与“经济性”之间作出权衡，理解“导线并非越粗越好”的工程判断；能对设计方案中的过载风险、漏电风险和检修便利性作出初步评估。 3. 能设计调查表格，收集家中主要用电器的功率和使用信息；能在小组中讨论并形成回路划分方案，绘制包含房间布局、元件符号、线路走向和回路标注的设计草图；能对他人方案提出基于物理原理和安全规范的质疑与改进建议。 4. 在调查和设计中养成“先估算、再选型、后复核”的严谨习惯；通过住宅电气设计规范的历史演进和漏电保护器推广的成效，体会标准、规范与工程伦理对生命安全的基础性保障作用；形成“设计服务于人、安全优先于便利”的价值取向。 【学习重点】 1. 调查用电需求，估算家庭总负荷和各回路负载； 2. 合理划分分支回路，运用 I=P/U推算回路电流； 3. 根据回路电流选择导线规格和断路器额定电流，绘制家庭电路设计草图。 【学习难点】 1. 从“解题思维”转向“设计思维”，在多重约束（安全、经济、施工便利）中作出合理取舍； 2. 理解导线截面、断路器额定电流与负载电流三者之间的匹配关系，避免“过大”或“过小”两种偏差； 3. 对设计方案进行基于证据的可行性论证，而非停留在“看起来合理”。 【自主预习】阅读教材《跨学科实践：为家庭电路做设计》，完成以下问题： 1. 家庭电路设计的流程一般为：______→______→______→______，具体包括调查用电需求、估算负荷、划分回路、器材选型、绘制设计图和论证评估。 2. 估算家庭实际最大功率时，不能把各用电器铭牌功率简单相加，而应乘以______（一般取0.5~0.8），再与入户开关容量比较。 3. 家庭总电流的计算公式是 I总=____________；某回路电流的计算公式是 I回路=____________。 4. 住宅设计规范要求：每套住宅进户线截面不应小于______mm²，分支回路截面不应小于______mm²；空调电源插座、一般电源插座与照明应______设计，厨房插座宜设______回路；除壁挂式分体空调外，插座回路应设置______保护装置。 5. 导线、断路器与负载电流的匹配关系是：回路负载电流应______导线载流量；断路器额定电流应______回路计算电流，并与导线载流量相协调。导线并非______越好，断路器并非______越安全。 6. 设计图应包含房间布局、______符号、线路走向和______标注，使施工人员能够看懂。 7. 历史上的触电事故教训推动了规范建设：1975年我国触电死亡人数曾高达______多人；1986年国家标准______发布，此后漏电保护器逐步推广，农村触电死亡人数从1980年的约4000人下降到1998年的______起。 答案： 1. 项目提出；项目分析；项目实施；展示交流 2. 同时使用系数 3. P实际/220 V；P回路/220 V 4. 10；2.5；分路；独立；剩余电流（漏电） 5. 小于（不超过）；略大于；越粗；越大 6. 元件；回路 7. 6000；GB 6829—86；167 【课堂探究】 探究一、项目提出：从“装修踩坑”进入设计情境 1. 真实问题 家庭装修中常见的电路设计不合理现象： （1）插座数量不足，导致插线板过载； （2）空调与厨房共用回路，频繁跳闸； （3）配电箱未设漏电保护，存在触电风险； （4）导线截面过小，大功率用电器工作时导线发热。 这些问题的共同点是：如果在装修前就被“设计”掉，入住后的安全隐患和麻烦本可以避免。 2. 项目任务 假如你家正在准备装修改造，请根据家庭用电需求，为家庭电路提出一个简单的设计方案。最终产出包括： （1）用电需求调查表； （2）负荷估算与回路划分； （3）器材选型依据； （4）家庭电路设计草图。 特别提醒： 设计不是“画一张好看的图”，而是“做一个安全、合理、能说清依据的方案”。每一个选择都要能回答“为什么这样选”。 【典例1】下列家庭装修中的电路设计做法，不合理的是（ 　） A. 空调设置独立回路 B. 照明与插座分路设计 C. 所有插座回路共用一个断路器 D. 插座回路设置剩余电流保护 【答案】C 【详解】 所有插座回路共用一个断路器，一旦某一回路故障会导致全部插座断电，且难以排查，不符合分支回路独立运行的原则。A、B、D均符合设计规范。 故选：C。 【典例2】小红同学在跨学科实践“为家庭电路做设计”活动中提出了多种想法，其中最合理的是（　　） A．干燥的客厅内，各插座内不需要连接保护线 B．为照明线路设计专线，并使用相对较粗的导线 C．客厅中大功率柜式空调单独配备漏电保护器 D．电热水器所在专线使用规格为“2A”的空气开关 【答案】C 【详解】 A．插座需要连接保护线，使用用电器时可以将金属外壳接地，避免触电，故A不符合题意； B．照明线路的电流较小，没有必要为照明线路设计专线并使用相对较粗的导线，故B不符合题意； C．为客厅中大功率柜式空调单独配备漏电保护器，可以在人触电时切断电路，保护人身安全，故C符合题意； D．电热水器工作时的电流远远大于2A，电热水器所在专线使用规格为“”的空气开关是不合适的，故D不符合题意。 故选：C。 探究二、项目分析：设计要考虑什么 1. 设计的三个核心约束 约束类型 具体内容 功能约束 房间布局、用电器种类和数量、使用频率 安全约束 总负荷不超过入户容量；大功率用电器独立回路；插座回路设剩余电流保护；导线与断路器匹配 经济与施工约束 导线并非越粗越好，回路并非越多越好，需在安全裕量与成本之间取得平衡 2. 规范底线（GB 50096—2011 摘录） （1）每套住宅进户线截面不应小于10 mm²； （2）分支回路截面不应小于2.5 mm²； （3）空调电源插座、一般电源插座与照明应分路设计； （4）厨房插座宜设独立回路； （5）除壁挂式分体空调外，插座回路应设置剩余电流保护装置。 这些条文不是“束缚”，而是设计时必须满足的底线。规范是用事故教训换来的。 3. 负荷估算的基本方法 将I总与入户开关容量（常见20 A~40 A，对应约4400 W~8800 W）比较，判断是否需要错峰使用或调整回路分配。 特别提醒： （1）同时使用系数不是精确值，而是对真实使用行为的工程近似。它提醒我们：并非所有用电器会同时以额定功率工作。 （2）估算结果应注明假设条件，不能把估算值当作精确值。 【典例3】某家庭用电器总功率为10000 W，取同时使用系数0.6，实际最大功率约为（ 　） A. 4000 W B. 6000 W C. 10000 W D. 16000 W 【答案】B 【详解】 P实际=10000 W×0.6=6000 W 故选：B。 【典例4】某家庭实际最大功率约为6000 W，家庭电路电压为220 V，总电流约为（　 ） A. 13.6 A B. 27.3 A C. 60 A D. 6 A 【答案】B 【详解】 I=PU=6000 W220 V≈27.3 A 故选B。若入户开关容量为20 A，则该家庭需要错峰使用大功率用电器或申请增容。 探究三、项目实施（任务一）：调查用电需求与负荷估算 1. 家庭用电调查表 用电器 额定功率/W 数量 所在房间 使用特点 空调 大功率、长时间 电热水器 大功率、长时间 冰箱 长期运行、间歇 厨房电器 大功率、短时 照明灯具 小功率、分散 电视机、电脑 中等功率、较长 2. 负荷估算步骤 （1）统计总功率 P总​； （2）取同时使用系数，计算 P实际； （3）计算总电流 I总=P实际/220 V； （4）与入户开关容量比较，判断是否满足。 3. 识别“大功率用电器清单” 将空调、电热水器、厨房大功率设备等列入“大功率用电器清单”，为回路划分做准备。注意区分： （1）大功率、长时间（如空调、电热水器）——宜独立回路； （2）大功率、短时（如电水壶、微波炉）——可共用一个厨房回路，但需注意同时使用概率。 特别提醒： （1）冰箱铭牌功率不能直接乘24 h，因为冰箱是间歇工作的； （2）空调实际功率与设定温度、室外温度有关，估算时应注明条件； （3）调查数据要注明来源（铭牌/实测/估计）。 【典例5】如图所示是简化后的部分家庭电路的接线图及家中电能表表盘，空气开关允许通过的最大电流为30A，下列说法正确的是（　　） A．该电路允许接入用电器总功率不应高于8800W B．电路中开关与白炽灯是串联的，各插座是并联的，且开关必须接在零线上 C．若闭合开关，灯泡不亮，用试电笔测c点氖管发光，可能是进户线零线断路 D．若让标有“220V 1000W”的空调单独正常工作3min，电能表指示灯闪烁300次 【答案】C 【详解】 A．由图知，电能表的工作电压是220V，电能表平时工作允许通过的最大电流为40A，而空气开关允许通过的最大电流为30A，乐乐家同时使用的用电器最大总功率 即允许接入用电器总功率不应高于6600W。故A错误； B．电路中开关与白炽灯是串联的，且开关必须接在火线上，故B错误； C．测电笔测火线会发光，若闭合开关，灯泡不亮，用测电笔测c点氖管发光，说明火线正常，灯泡不亮，可能是零线断路，故C正确； D．空调正常工作时的电功率 单独正常工作3min消耗的电能 600r/（kW·h）表示电路中用电器每消耗1kW·h的电能，电能表的指示灯闪烁600r，这段时间内电能表指示灯闪烁的次数 故D错误。 故选：C。 【典例6】在“为家庭电路做设计”的跨学科实践项目中，某实践小组的任务是为一间新书房设计电路。他们计划安装一盏照明灯、一台电脑和一个用于冬天取暖的电暖器。 (1)这些用电器在电路中应采用___________方式连接。 (2)经查阅说明书，电暖器的额定功率为2000W，电脑的额定功率为，照明灯的额定功率为。若它们同时正常工作，则总功率为___________。为该书房支路配备的空气开关的额定电流是20A，书房所在支路的电压为。请你通过计算判断：该支路___________（选填“能”或“不能”）安全承载这三个用电器同时工作。 【答案】(1)并联 (2) 2320 能 【详解】 （1）家庭电路中，用电器应采用并联方式连接，以确保各用电器独立工作互不影响。 （2）[1]三个用电器同时正常工作的总功率为 [2]当这三个用电器同时工作时，该支路的电流为 ， 因此该支路能安全承载这三个用电器同时工作。 探究四、项目实施（任务二、三）：划分回路与器材选型 1. 测电笔辨别相线和中性线 1. 回路划分原则 （1）大功率用电器（空调、电热水器、厨房大功率设备）宜设独立回路； （2）照明与插座分路设计； （3）厨房、卫生间插座宜独立回路，并设置剩余电流保护； （4）每个插座回路的插座数量不宜过多。 2. 回路电流与断路器选型 对每个回路： 断路器额定电流应略大于回路计算电流，同时与导线载流量相协调。 示例：某空调回路计算电流为9 A，可选10 A断路器；若选6 A会频繁误跳，选32 A或63 A则过大，不能有效保护导线和用电器。 3. 导线选型 （1）规范底线：分支回路截面不应小于2.5 mm²； （2）导线截面应与回路负载电流匹配，截面越大，载流量越大，但成本、施工难度和资源消耗也越大； （3）导线并非越粗越好，选型应与回路负载匹配，兼顾安全与经济。 4. 三者匹配关系 回路负载电流≤导线载流量 断路器额定电流略大于回路负载电流，且与导线载流量协调 断路器过大不能保护导线，过小则频繁误跳。 特别提醒： （1）“大开关配细线”是严重隐患：导线已经过热，断路器还未动作； （2）“小开关配粗线”虽然安全，但频繁误跳，影响正常使用，也不经济； （3）选型依据应记录在设计说明中，不能只写“凭经验”。 【典例7】跨学科实践：为家庭电路做设计 【项目提出】 小光家正在准备装修改造，请你根据小光家的实际情况，帮助他为家庭电路设计一个安全、节能、合理的方案。并结合物理知识，协助他完成电路的优化。 【项目分析】 (1)小光家厨房有下列用电器，当它们同时正常工作时，要求厨房回路的低压断路器（空气开关）的额定电流至少为___________A。小光观察后发现，这些用电器都使用三脚插头，这样是为了保证用电器连入电路时，其金属外壳与___________相连。表格中的用电器消耗电能最快的是___________，其工作5 min消耗的电能为___________J。 家用电器 功率/kW 数量 电饭煲 0.7 1台 微波炉 0.7 1台 电烤箱 0.8 1台 照明灯 0.02 1盏 电冰箱 0.2 1台 【项目实施】 (2)从安全角度考虑，控制用电器的开关要连接在___________线和用电器之间，并且应在插座分支回路安装___________，当人站在地上不小心接触相线，电流经过人体流入大地，该装置迅速切断电路，对人体起到保护作用。 【展示交流】 (3)请结合家中用电器的调查和使用情况，尝试分析家庭用电安全隐患，总结一条生活中的安全用电原则：___________。 【答案】(1) 11 大地 电烤箱 (2)相 漏电保护器 (3)避免大功率用电器使用同一个插座 【详解】 （1）所有用电器同时工作的总功率为 家庭电路电压，根据公式，可得额定电流 故厨房回路的低压断路器（空气开关）的额定电流至少为11A。 三脚插头的作用是保证用电器金属外壳与大地（或地线）相连，当用电器漏电时，电流可通过地线导入大地，防止人体触电。 电功率是表示电流做功快慢的物理量，功率越大，消耗电能越快，表格中电烤箱功率最大（0.8kW），因此消耗电能最快的是电烤箱。 电烤箱功率 工作时间 根据公式，可得消耗的电能 （2）控制用电器的开关需连接在火线（相线）和用电器之间，断开开关时，用电器与火线断开，可避免检修或操作时触电。 插座分支回路安装漏电保护器，当人体接触相线发生触电时，漏电保护器能检测到电流异常，迅速切断电路，对人体起到保护作用。 （3）生活中的安全用电原则有：不用湿手触摸用电器，因为水是导体，湿手触摸易引发触电；或避免大功率用电器同时工作，防止电路总功率过大导致电流过载，引发火灾等。（合理即可） 【典例8】小明将电热水壶接入厨房插座，闭合开关后水壶不工作。爸爸检查图甲所示配电箱，发现只有厨房回路的空气开关跳闸。将其复位后，只将电热水壶接入厨房电路进行测试，空气开关再次跳闸。 (1)据此现象，小明初步判断空气开关跳闸的原因是：电热水壶________。 (2)拔掉电源插头后，爸爸拆开壶底座，发现内部线路上有水珠。彻底干燥后调试，电热水壶恢复正常。为避免此故障，使用电热水壶时应注意________。 (3)如图乙所示，电热水壶底部的导线连接装置有铜环①、铜环②和铜柱③。用数字多用表测试发现：①和③之间绝缘，①和②之间有几十欧姆的电阻。由此可知，与水壶金属外壳相连的装置是___________（选填“①”“②”或“③”）。当三脚插头插入插座时，金属外壳与__________相连。一旦外壳漏电，漏电保护器会迅速切断电路。 (4)为理解漏电保护器工作原理，小明查阅资料并分析图丙电路：当站在地上的人在处接触相线时，漏电保护器将检测到通过、两处的电流___________（选填“相等”或“不相等”），从而迅速切断电路。 【答案】(1)短路 (2)避免内部进水 (3)③ 大地 (4)不相等 【详解】 （1）空气开关跳闸的原因有两种：一是电路中发生短路；二是电路中用电器总功率过大。 已知只将电热水壶接入厨房电路进行测试，空气开关就跳闸，说明不是总功率过大导致的，而是电热水壶发生短路故障，使得电路中电流过大，从而引起空气开关跳闸。 （2）拔掉电源插头后，拆开壶底座发现内部线路上有水珠，彻底干燥后调试，电热水壶恢复正常，这说明水导致了电热水壶短路。 为避免此故障，使用电热水壶时应注意避免其内部进水。 （3）[1]在家庭电路中，为了防止用电器的金属外壳带电而发生触电事故，金属外壳要接地。 已知①和③之间绝缘，①和②之间有几十欧姆的电阻，说明①和②之间有电流通过，而③与①绝缘，所以与水壶金属外壳相连的装置是③。 [2]当三脚插头插入插座时，金属外壳与大地相连，一旦外壳漏电，漏电保护器会迅速切断电路。 （4）当站在地上的人在C处接触相线时，部分电流会通过人体流入大地，导致通过A处的电流大于通过B处的电流，即漏电保护器将检测到通过A、B两处的电流不相等，从而迅速切断电路。 探究五、项目实施（任务四）：绘制设计草图与展示交流 1. 设计图的基本要素 （1）房间布局：卧室、客厅、厨房、卫生间的位置与尺寸示意； （2）元件符号：灯、开关、插座、空调等； （3）线路走向：标注相线（L）、中性线（N）、保护线（PE），可用颜色或线型区分； （4）回路标注：如“L1 照明”“L2 普通插座”“L3 空调”“L4 厨房插座”。 2. 展示交流的质询维度 （1）总负荷估算是否合理？同时使用系数是否说明？ （2）大功率用电器是否独立回路？插座回路是否有剩余电流保护？ （3）断路器与导线是否匹配？是否存在“大开关配细线”的隐患？ （4）设计图是否能让施工人员看懂？ 3. 设计的评价标准 设计的“好”不在于回路多、导线粗，而在于每一个选择都有依据、每一处安全措施都对应了真实风险。 特别提醒： （1）设计图中应标明回路编号和断路器规格，便于施工和检修； （2）保护线（PE）应使用黄绿双色线标识，相线、中性线用不同颜色区分； （3）展示时要能回答“为什么这样设计”，而不是只展示“设计成什么样”。 【典例9】下列关于家庭电路设计图的说法，不恰当的是（　 ） A. 应标注回路编号和断路器规格 B. 应区分相线、中性线和保护线 C. 只画用电器位置即可，线路走向不重要 D. 应能反映房间布局和元件位置 【答案】C 【详解】 设计图需要反映线路走向，施工人员才能按图施工。A、B、D都是设计图的基本要求。 故选：C。 【归纳整理】 第3节 跨学科实践：为家庭电路做设计 【课堂练习】 1．为家庭电路做设计的跨学科实践活动中，同学们围绕安全用电提出了多种做法。下列说法正确的是（　　） A．大功率用电器要设置单独的分支回路 B．控制灯泡的开关与灯泡的位置可以互换 C．使用试电笔时，不能接触试电笔上的任何金属部分 D．为避免频繁跳闸，家庭总空气开关的额定电流越大越好 【答案】A 【详解】 A．大功率设备，需要单独布线，不能直接使用插座分支回路供电，否则会导致线路过载，故A正确； B．控制灯泡的开关和灯泡的位置不可以互换，若互换，断开开关后，人接触到电灯可能有触电风险，故B错误； C．试电笔在使用时，笔尖接触要检测的导线，手接触笔尾金属体，才能在接触火线时使氖管发光，故C错误； D．总空气开关的额定电流越大可能会越不安全，在电流过大时不会断开电路，故D错误。 故选：A。 2．“为家庭电路做设计”实践活动中，下列做法符合安全用电原则的是（　　） A．临时用电时可以随意接线 B．使用测电笔时能用手触碰笔尾的金属体 C．发现有人触电时，立即用手把他拉开 D．可以用湿毛巾擦拭工作中的用电器 【答案】B 【详解】 A．临时用电随意接线容易造成短路、漏电等安全隐患，不符合安全用电原则，故A不符合题意； B．使用测电笔时，手必须接触笔尾金属体，才能形成回路，辨别火线和零线，符合安全用电原则，故B符合题意； C．发现有人触电时，应先切断电源或用绝缘棒将电线挑开，直接用手拉触电者会导致施救者触电，不符合安全用电原则，故C不符合题意； D．湿毛巾是导体，用湿毛巾擦拭工作中的用电器易引发触电事故，不符合安全用电原则，故D不符合题意。 故选：B。 3．装修工人要在家庭电路中各接入一个三孔插座和一个两孔插座，且它们各有一个能控制其通断的开关。要求接入两个插座的用电器可以同时工作且互不影响，下列电路设计正确的是（　　） A B C D 【答案】D 【详解】 A．两个插座的电路是串联的，会相互影响，故A错误； B．两个插座的电路为并联（可同时工作且互不影响）；每个开关都接在相线与对应插座之间，符合安全与控制要求；但三孔插座的上接线柱接在中性线上，故B错误； C．闭合开关，两插座都将短路，故C错误； D．两个插座的电路为并联，每个开关都接在相线与对应插座之间，接线也正确，符合安全与控制要求，故D正确。 故选：D。 4．（多选）在跨学科实践“为家庭电路做设计”的活动中，同学们所提观点合理的是（　　） A．各分支回路之间是并联的 B．可以同时使用多个大功率用电器 C．不弄湿用电器，不允许损坏绝缘层 D．总功率大的分支回路要选用粗一些的导线 【答案】ACD 【详解】 A．家庭电路中各支路之间互不影响，是并联的。故A符合题意； B．同时使用多个大功率用电器，会导致干路中电流过大，损坏电路甚至引起火灾。故B不符合题意； C．用电器沾水变湿或者绝缘层破损，容易造成触电事故。故C符合题意； D．支路工作总功率大，工作时导线中电流大，使用的导线越粗，允许通过的最大电流越大。故D符合题意。 故选：ACD。 5．在跨学科实践课程中，小明为家庭电路做了如图所示的设计，其中1、2、3、4为四处开关，你觉得不合理的是（     ） A．1 B．2 C．3 D．4 【答案】B 【详解】 A．在家庭电路中，电路的总开关应该接在干路中，在电能表之后，故1合理，故A不符合题意； B．三孔插座中，中间的孔接保护线，故2是不合理的，故B符合题意； C．三孔插座的右孔接的是相线，开关3控制的是相线，故3合理，故C不符合题意； D．控制灯泡的开关应该接在相线和灯泡之间，故4合理，不符合题意。 故选：B。 6．下图所示的是家庭电路的一部分。当所有用电器正常工作时，电路中A处和B处的电流大小关系是_____________（选填“>”“<”或“=”）；当站在地上的人不小心接触到C处裸露的电线时，漏电保护器______________（选填“会”或“不会”）切断电路。 【答案】 = 不会 【详解】 [1][2]在家庭电路中，各用电器并联，A、B两个点都在干路上，根据并联电路中干路电流等于各支路电流之和可知，；当站在地上的人不小心接触到C处裸露的电线（该电线为零线，不带电）时，人不会触电，故漏电保护器不会切断电路。 7．某跨学科实践小组同学设计学校的课间音乐控制装置。如图所示，采用“定时开关”到达设定时间时，控制的播放器播放音乐，应将“定时开关”接在虚线框_______（填“a”或“b”） 处，同时将电源接在另一处。下课期间播放音乐时，定时开关自动_______（选填“闭合”或“断开”） 所在电路，整个控制使用状态中，指示灯_______（一直/间歇） 处于工作状态，电路中安装指示灯除了显示电路正常外还可以起到______的作用。 【答案】 b 断开 一直 保护电路 【详解】 [1][2][3]分析题中电路图可知，应将“定时开关”接在b处，电源接在a处。闭合开关后，未到设定时间时，定时开关将播放器短路，播放器不播放音乐指示灯会亮；“定时开关”到达设定时间时，“定时开关”处于断开状态，此时播放器和指示灯串联，播放器播放音乐，指示灯会亮，即指示灯一直处于工作状态。 [4]当“定时开关”闭合时，指示灯起到保护电路的作用，当“定时开关”断开时，指示灯可以显示电路是否正常。 8．如图甲所示，虽然设计的是五孔插座，但就是不能同时使用。这是一种安全设计，为了避免因电路保护装置不够、用户安全用电意识不强而造成事故。这样能有效防止插座接入用电器的总功率 。如图乙是电工师傅包里的奇葩插头，据说关键时能保命。把它插入插座后家庭电路被 ，能引起 （选填“空气开关”或“漏电保护器”）立刻“跳闸”。 【答案】 过大 短路 空气开关 【详解】 [1]五孔插座，不能同时使用，避免因同时使用两个大功率用电器，导致接入用电器的总功率过大，从而导致电路中的电流过大而引发火灾。 [2][3]由图可知，把插头插入插座后家庭电路被短路，导致电流过大，引起空气开关跳闸。 9．如图所示的家庭电路，两虚线框中连入了电灯和开关，则方框 中为开关；闭合开关后，发现电灯不亮，使用试电笔测试a、b、c三点时试电笔的氖管均发光，测试d点时试电笔的氖管不发光，则该电路的故障为cd之间 。家用电冰箱使用三线插头，可以让金属外壳与插座中的 线相连，以防漏电时对人体造成伤害。 【答案】 乙 断路 地 【详解】 [1]从用电安全考虑，控制电灯的开关要接在火线和电灯之间，因此方框乙为开关。 [2]使用试电笔测试a、b、c三点时试电笔的氖管均发光，说明这三处都有电流通过，测试d点时试电笔的氖管不发光，说明故障为cd之间断路。 [3]三线插头比两线插头多一根地线，目的是为了使带有金属外壳的用电器，金属外壳与地线相接，以防漏电时对人体造成伤害。 10．如图甲所示，这是某试电笔的结构图，其外壳为透明绝缘体。如图乙所示为家庭电路中的部分电路图，闭合开关后，发现灯不亮，但保险丝完好，可以断定出现的故障是 （选填“断路”或“短路”）。若故障为断路，使用试电笔检查断路的位置：手要接触 ，笔尖分别接触图乙中A、B、C、D，直到氖管不发光，可以断定该点之前的部分与 线（选填“火”或“零”）相连；如果氖管一直发光，则说明 线（选填“火”或“零”）断路。 【答案】 断路 笔尾的金属笔卡 火 零 【详解】 [1]家庭电路中如果发生短路，电路中电流过大，会导致保险丝熔断。由图知，闭合开关后，发现灯不亮，但保险丝完好，所以可以断定出现的故障是发生断路。 [2]使用试电笔时，手要接触笔尾的金属笔卡，电流经过大电阻削弱后流经人体导入大地。 [3]试电笔接触火线时氖管才会发光，所以笔尖分别接触图乙中A、B、C、D，直到氖管不发光，可以断定该点之前的部分与火线相连。 [4]如果零线断路，则从A到D点的部分都与火线相连，氖管会一直发光。 11．家庭电路中，当电路发生故障时，电工师傅常用一只额定电压为220V的灯泡L0（检验灯泡），放在保险丝位置上，并且断开保险丝，来检查家庭电路中每个支路的情况，如图所示，当S闭合时，再逐一闭合S1、S2、S3（每次只闭合其中的一个开关）时，可能出现下列几种现象，请你根据所提供的现象判断电路的状况（选填：“短路”、“断路”或“正常”）。 （1）L0不亮，说明该支路 ； （2）L0正常发光，说明该支路 ； （3）L0发光呈暗红色，说明该支路 ； （4）家庭电路中所有用电器都工作时，总电阻 （填最大或最小）。 【答案】 断路 短路 正常 最小 【详解】 （1）[1]当L0不亮时，说明电路是断路状态。 （2）[2]当L0正常发光时，说明L0得到了220V的电压，则该支路发生了短路。 （3）[3]L0发光呈暗红色时，说明L0与L3是串联的，两个灯分得的电压都小于220V，故不能正常发光，反而说明L3是正常的。 （4）[4]在家庭电路中，所有用电器同时工作时，总电流最大，由R＝可知，此时总电阻最小。 【课后反思】 本节课通过跨学科实践，经历了“调查—估算—回路—选型—绘图—论证”的完整设计过程，学会了用物理知识进行家庭电路设计，理解了导线、断路器与负载电流的匹配关系，体会了规范和安全装置对生命安全的保障作用。 反思：是否从“解题思维”转向了“设计思维”？负荷估算中是否理解同时使用系数的工程含义？能否解释“导线并非越粗越好”“断路器并非越大越安全”？回路划分和器材选型是否有依据，而不是凭感觉？设计图是否能让施工人员看懂？是否体会到规范是用事故教训换来的，设计者应对居住者的安全负责？还有哪些选型计算和方案论证需要进一步强化？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $