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2.9 家庭电路
学习目标 1.通过任务1及其活动,知道家庭电路的组成,能解释相关的现象。(物理观念、科学态度与责任) 2.通过任务2及其活动,知道安全用电的必要性与措施。(科学态度与责任) 3.通过任务3及其活动,能将节约用电的知识应用于生活实际,知道保护环境科学用电的重要意义。(科学态度与责任)
【自主预习】
　　重点难点:输电线横截面积与允许通过电流的关系,安全用电。
教学建议:从生活实际出发,探究输电线横截面积与允许通过电流的关系,再探究生活中的几个实际安全用电问题,进而提出为什么节约用电的话题。
导入新课:在前面学习直流电路的内容时,导线的电阻一般都予以忽略。那么在家庭电路中,输电线(即导线)的电阻是否也同样可以忽略呢
思考并回答问题。
思考1:为什么洗衣机、电冰箱的电源插头有三个脚
【提示】 三脚插头中的中间一脚,接用电器的外壳,三孔插座的中间一孔,与大地相连。家用电器的金属外壳(如洗衣机、电冰箱等)本来与火线是绝缘的,人体接触外壳时并没有危险。但如果家用电器内部的绝缘皮破损或失去绝缘性能,导致火线与外壳接通,人接触外壳时就会发生触电事故。因此,家用电器的金属外壳应该用导线接地,这样,外壳带的电会通过接地导线流走,人体接触外壳时就能避免发生触电事故,三脚插头中的中间一脚、三孔插座的中间一孔便是将电流引入大地的“桥梁”。
思考2:我国年发电量居世界第二位,为什么还要提倡节约用电
【提示】 无论是工农业生产,还是我们日常生活都离不开电能。电能是一种使用最方便、最清洁的能源。大力发展电力工业,不是一两句话的事情。因此,我们必须做到一方面大力发展电力工业,另一方面又要在合理利用能源,积极节约用电上作出努力。同时,节约也是我们中华民族的美德。我们要养成节约用电、用水的美好品德。
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)家庭电路中,用电器的开关可以接在任意位置,只要能控制电流就行。 (　　)
(2)漏电保护开关可以在线路漏电时保障用电者的人身安全。 (　　)
(3)当验电笔接触零线时,其中有电流通过,氖管会发光。 (　　)
(4)选择熔丝时,应该使它的额定电流等于或稍小于电路的最大正常工作电流。 (　　)
(5)导线长时间通电时能承载的最大安全电流是选择导线时重点考虑的要素之一。 (　　)
【答案】(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√　
【合作探究】
任务1 家庭电路
　　周末一家人正在看世界杯足球赛的实况转播,一位运动员在球门前飞起一脚将足球向球门踢去,眼见此球即将进入球门可惜停电了,而邻居家里灯火辉煌,并传来喝彩声。大家猜想一下,家庭电路里哪一部分出了故障 应该如何检查呢
1.某家庭电路的电路图如图所示,试写出各部分电路器件的名称。
【解答】 (1)是进户线;(2)是电能表;(3)是闸刀开关;(4)是熔断器;(5)是火线;(6)是零线;(7)是三孔插座;(8)是地线。
2.保险丝的安装方法有:只安装在火线上,火线零线上都安装,但不能只安装在零线上。也就是说,火线上必须安装保险丝,为什么要这样做
【解答】 如果接在零线上,即使保险丝烧断,所有电器都还是有电的,这样非常危险。
3.熔丝和断路器(又名空气开关)的相同点和不同点有哪些
【解答】 相同点:都是当电路发生过载或短路故障时,自动切断电路,从而起到保护作用。
　　不同点:熔丝在电路发生过载或短路故障时,会自动熔断,但不太可靠,排除故障后需要更换新的熔丝;断路器电路发生过载或短路故障时会自动切断电路,但是断路器更准确、迅速、可靠,而且只要排除故障就可以合闸,不需要更换零部件。
4.家庭电路的常见故障是什么 它们分别是什么原因引起的
【解答】 断路、短路是家庭电路的常见故障。断路是由于导线没有连接好、用电器烧坏或未安装好等,使整个电路在某处断开的状态。短路是火线和零线直接接触形成的,发生短路的原因可能是线路绝缘不良,也可能是操作不当。
1.家庭电路一般由两根进户线(有的3根,加设地线)、电能表、保险设备、用电器、插座、导线、开关等组成。
2.火线和零线之间有①　　　　　　V电压,它们构成家庭电路的电源。
3.②　　　　　　用来测量用户在一定时间内消耗的电能,③　　　　　　用来保护电路。
4.熔断器的熔丝被熔断是因为电流超过一定值,这个值④　　　　　　熔丝的额定电流。
【答案】①220　②电能表　③保险设备　④大于
应用1　验电笔的正确使用
使用验电笔的几种用法示意图如图所示,其中正确的是 (　　)
A.甲与乙 B.甲与丙 C.丙与丁 D.乙与丙
【答案】B
【解析】 正确使用验电笔的方法是:手一定不能接触笔尖金属体,手一定要接触笔尾金属体或金属笔卡。B项正确。
应用2　熔丝的选择
某家庭要安装一套家庭供热水系统。所选用电热水器的技术参数中标有:“加热功率/电压3800 W/220 V”。若需要为电热水器安装一个熔断器,参考下列数据并通过计算说明,应该选择多大直径的熔丝
常用铅锡合金熔丝的技术数据(铅95%,锡5%)
额定 电流I/A 2 2.6 3.3 4.8 7 11 15 18 22
直径 d/ mm 0.508 0.61 0.71 0.915 1.22 1.63 2.03 2.34 2.65
【解答】 P=3800 W,U=220 V,I==A≈17.27 A,查表可得,应选用直径为2.34 mm、额定电流为18 A的熔丝。
任务2 安全用电
　　暑期持续的“桑拿天”,居民家里的空调、电扇都闲不住,导致电路火灾时有发生,火警电话不断,消防车拉着警笛呼啸而出,赶往火灾现场。经调查发现,起火原因如出一辙:电线超负荷使金属导线发热,从而引燃了外面的绝缘皮。
1.“超负荷”是指电路中的电流还是电阻过大 火灾发生的理论依据是什么
【解答】 电流;Q=I2Rt。
2.请你提出预防这种火灾发生应采取的措施。
【解答】 大功率用电器不同时使用;根据用电器情况换用较粗导线;做好电路的散热工作等。
3.多高的电压对人体是安全的
【解答】 我国的安全电压国家标准规定的安全电压等级共5级,分别为42 V、36 V、24 V、12 V、6 V,适用于不同场合。其中36 V是一般情况下使用的标准;特别恶劣的情况,如在金属容器内、特别潮湿处等特别危险环境中使用的手持照明灯就要采用更低电压 12 V;水下等作业场所的手持照明灯具应采用最低电压 6 V。
4.家庭电路中为防止触电,有哪些安全防护措施
【解答】 (1)安装可靠的接地线;(2)安装过载保护与漏电保护。
　　安全用电
(1)谨防触电:接触、搬运电器时避免触电;定期检查用电器的插头,大功率用电器的插头极易因过热而损坏。
(2)避免短路:短路时电路中的电流非常大,轻则电源、电线烧毁,重则发生火灾,酿成大祸。
(3)电器金属外壳应该接地线。
(4)避免大功率用电器同时使用,以免流过插座的电流太大,引起火灾。
(5)避免火灾:不要让纸张等易燃物过分靠近电灯、电饭锅、电炉等。
问题讨论:零线就一定安全吗
【提示】 不一定。正常情况下零线是安全的,但如果开关闭合,而零线断路,其中与火线连接在一起的部分是不安全的。
应用　安全用电原则
如图所示的操作中,符合用电规范的是 (　　)
A.图1中,有人触电无法切断电源时,立即用绝缘干木棍挑开电线
B.图2中,手握验电笔的金属杆判断插座中是否有电
C.图3中,熔丝熔断后,用铜丝代替熔丝接入电路
D.图4中,直接用湿的手去拔插头
【答案】A
【解析】 有人触电时,首先切断电源或让触电者尽快脱离开电源,用绝缘干木棍挑开电线让触电者尽快脱离开电源,再实行救治,A项正确。使用测电笔时,测电笔前端的金属探头和带电体相连接,不能用手去接触,B项错误。当用细铜丝代替后,细铜丝的熔点很高,电阻很小,不会自动熔断,起不到保护电路的作用,C项错误。用湿手拔插头时,水属于导体,有可能使电流通过水传到人体上,使人体触电,十分危险,D项错误。
任务3 节约用电
　　随着我国经济的飞速发展,电力需求日益紧张,不少地区暑期要拉闸限电。小明从电视上看到这些消息后,认识到自己家中存在浪费电的现象,于是就进行了调查和研究,搜集了如下表所示的相关数据。
现象 相关的数据
1 电视机不关电源,常处于待机状态 待机功率0.8 W,每天待机15 h
2 客厅里灯长明,卧室人走灯不灭 总功率120 W,每天多亮4 h
3
4
1.在家庭用电中,还有哪些浪费现象,仿照1、2两项填写在表中的第3、4栏内。(不要求精确数据)
【解答】 如表所示。
现象 相关的数据
1 电视机不关电源,常处于待机状态 待机功率0.8 W,每天待机15 h
2 客厅里灯长明,卧室人走灯不灭 总功率120 W,每天多亮4 h
3 饮水机不关电源,频繁开机加热 500 W,每天多工作2 h
4 冰箱冷藏温度设置太低,频繁开门 100 W,每天多工作2 h
2.仅上表中的1、2项,小明家每个月(30天)浪费多少度电
【解答】 每天浪费的电能W=0.8×10-3 kW×15 h+120×10-3 kW×4 h=0.492 kW·h,每月浪费的电能为0.492 kW·h×30=14.76 kW·h。
3.夏天,温度在28 ℃时就已经不感到热了,空调房间温度太低时,不但费电也不利于健康。小明利用家中的电能表和钟表,估算出了把空调房间的温度设置从20 ℃调高到28 ℃,每天(按照6 h计算)节约的电能,请你简述他的做法。(不需要计算)
【解答】 在外部气温相同的条件下,关掉其他用电器,把空调房间的温度分别设置为20 ℃和28 ℃,分别观察6 h后家中电能表的示数差,即可得出两种情况下一天内消耗电能的差别。
　　关于节电,我们可以努力做到以下几点。
　　1.尽量使用节能的电器。
　　2.合理使用空调。
　　3.较长时间不使用的电器,请关闭电源。
践行低碳生活
大多数在市区的人们可免押金租借电动车出行,这是当今倡导低碳生活的一种具体体现。低碳生活是指生活作息时所耗用的能量要减少,从而减低碳,特别是二氧化碳的排放。低碳生活,对于我们普通人来说,是一种态度,而不是一种能力,我们应该积极倡导并践行。请你从物理学的角度列举三个低碳生活的实例。
【提示】 ①随手关灯;②使用空调时关紧门窗;③电视机音量不要开得太大等。
应用　估算功率
当李老师最后离开计算机机房要去关闭总电闸时,发现电能表(如图所示)的转盘仍在缓慢地转动。他用手表粗略地估测了一下。1 min转盘转动了5 r。经检查发现,原来机房内还有20台电脑显示器处于待机状态。请你算算1台电脑显示器的待机功率约为多大 并就此问题联系实际谈谈在日常生活中如何节约用电
【解答】 20台电脑显示器消耗的电能W=×3.6×106 J=6×103 J,1台电脑显示器消耗的电能W'== J=300 J,1台电脑显示器的待机功率P== W=5 W,节约用电要从小事做起,如平时不使用电视时,最好要关闭电源,不要使其处于待机状态。
【随堂检测】
1.(任务1)小宇同学准备检查生活用电线路是否有问题,他先断开所有用电器和总开关,然后将火线上的保险丝取下,换上一只额定电压为220 V的灯泡,闭合总开关,发现灯泡正常发光。由此判断 (　　)
A.线路安装完全正确,因为灯泡正常发光
B.线路安装不正确,电路中有短路
C.线路安装不正确,电路中有断路
D.仅由此不能判断线路是否有问题
【答案】B
【解析】 保险丝与用电器是串联的,将火线上的保险丝取下,换上的灯泡与电路中原来的用电器也是串联的。如果原来的电路没有问题,那么它们的总电压是220 V,这个换上的灯泡因实际电压低于额定电压而不能正常发光,现在发现这个换上的灯泡正常发光,说明灯泡两端的电压为220 V,也就是原来的用电器两端电压为零,即电路中有短路。
2.(任务2)以下一些做法:(1)用手同时接触一节干电池的正负极;(2)站在地上用手碰到了家庭电路中的火线;(3)用湿抹布抹亮着的电灯;(4)站在干燥的木板上单独碰到了家庭电路中的任一根线;(5)用正确的方法使用验电笔检测火线。其中可能会发生触电事故的是 (　　)
A.只有(2)(3) B.只有(3)(4)
C.只有(2)(3)(4) D.只有(1)(2)(4)
【答案】A
【解析】 干电池的电压低于安全电压,人不会触电;人在地上接触火线或用湿抹布抹电灯很可能会引起触电;(4)(5)不会引起触电,故A项符合题意。
3.(任务3)为了测出电视机机顶盒在待机时的电功率,某同学在国庆外出旅游期间,关闭家中其他用电器的电源,用电能表测出机顶盒待机时消耗的电能,数据如表所示。若某市有200万户家庭,按每户家庭一台机顶盒,每天机顶盒待机20 h,每度电按0.5元计算,该市所有家庭一天总共额外支付的电费为 (　　)
时间 电能表示数
2023年10月1日上午9时 3523.4kW·h
2023年10月6日上午9时 3524.6kW·h
A.20万元 B.24万元
C.200万元 D.240万元
【答案】A
【解析】 根据电表读出一家一天消耗的电能W=(3524.6 kW·h-3523.4 kW·h)=0.24 kW·h,所有家庭20 h共消耗电能W总=200×104×0.24× kW·h=4.0×105 kW·h,所有家庭一天总共额外支付的电费为0.5×4.0×105元=2.0×105元=20万元,A项正确,B、C、D三项错误。
4.(任务2)现代家庭电器化程度越来越高,安全用电是一个十分突出的问题。下表提供了一组部分人的人体电阻平均值数据:
测量项目 完全干燥时 出汗或潮湿时
电阻 电流(加220 V) 电阻 电流(加220 V)
手与手 之间 200 kΩ 1.1×10-3 A 5 kΩ 　　　　　　
手与脚 之间 300 kΩ 7.3×10-4 A 8 kΩ 　　　　　　
手与塑料 鞋底之间 800 kΩ 2.8×10-4 A 10 kΩ 　　　　　　
(1)从表中可看出干燥时电阻大约是潮湿时电阻的　　　　　　倍。
(2)在空格中填入对人体加220 V电压后的电流值。
(3)若对人的安全电流是20 mA以下,表格中哪几项是十分危险的 　　　　　　
(4)电路上有规格为10 A的熔丝(俗称保险丝),如图所示,用电器R的功率是1500 W,这时通过熔丝的实际电流是多少 人体出汗或潮湿时,手脚触电,为什么熔丝不会断
【解答】 (1)n1==40,n2=≈38,n3==80。所以干燥时电阻大约是潮湿时电阻的38~80倍。
(2)潮湿时电流分别为I1==4.4×10-2 A,I2==2.75×10-2 A,I3==2.2×10-2 A。
(3)由上述计算知,潮湿时电流都大于20 mA,所以潮湿时各种情况均有危险。
(4)通过用电器R的电流IR== ≈6.8 A,人的手脚触电时通过人体的电流I2=2.75×10-2 A,通过熔丝的总电流I=IR+I2=6.8275 A<10 A,故熔丝不会熔断。
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