初中物理中非常态电路探讨

(南京师范大学附属中学仙林学校初中部，江苏 南京 210023)

初中物理中非常态电路探讨

滕文

(南京师范大学附属中学仙林学校初中部，江苏 南京 210023)

本文结合具体例题，探讨非常态电路问题及其解答要领，这类问题要求学生亲自动手实验，会对电学现象运用所学知识进行分析，以增强其综合运用知识的能力。

初中物理；非常态电路；电路故障

1 引言

非常态电路即常说的故障电路，电路中的电流表或是电压表会出现非正常示数，而原因一般是由于电路中的开关、导线或是元器件(如灯泡、电阻、滑动变阻器等)断路或短路造成的。这种类型的题目一般在中考物理中分值为2分，出现形式大多为电学实验题中的某一问。虽然分值不多，但是大多以B类题出现，要求学生对电路的结构有一定的认识和理解。

2 两种基本的电路故障

例1：在如图1所示的电路中，闭合开关S，灯L不亮，电压表有示数，已知电路中各处均接触良好，除灯L和电阻R外，其余元件均完好。

图1

(1) 该电路中存在的故障可能是______________或______________，你有什么办法可以确定是哪一种故障吗？

(2) 将一个电流表正确串联在电路中，闭合开关S，观察电流表的示数情况，若电流表有示数，说明故障是 ________；若电流表无示数，说明故障是

(3) 将图中电压表正确并联在灯L两端，你认为________(选填“能”或“不能”)查找出电路的故障，理由是_________。

解析：第(1)问是一道常见的故障分析题，根据题干中仪表的现象，判断故障的位置，由于只有电压表，所以故障有L短路和R断路两种可能。第(2)、(3)问会在本文的后面给出解析。

大多数电路的故障不是断路就是短路，如灯丝断了、滑动变阻器接触不良、导线断开等，会造成断路，则电路中无电流，电流表无示数，电压表所在的位置不同，示数也会不同；而发生短路的仪器相当于一根导线，同时电路中电流变大，电压表所在的位置不同，示数也会不同。因此，电流表和电压表示数的非正常变化是判定故障的重要依据。

下面笔者将非常态电路按照仪表示数的变化，分成三种情况，借助例题，归纳确定故障位置的方法。

3 几种常见的电路故障

3.1 电压表有示数，电流表无示数

例2：如图2所示，小明同学在“测未知电阻Rx”的实验中。

图2

(1) 闭合开关后，发现电流表指针几乎不动，电压表示数约为电源电压，故障的原因是 (选填“Rx短路”或“Rx断路”)。

解析：根据电流表无示数，判断出电路发生断路，由电压表示数为电源电压可知，除了Rx，电路其他部分完好，电压表示数为电源电压，证明故障是Rx断路。

例3：小华用如图3所示电路测量小灯泡的额定功率，小灯泡上标有“3.8V”的字样，额定功率约为1W，滑动变阻器的规格是“20Ω 1A”，电源电压恒为6V，在实验中，小华不慎将电流表和电压表的位置接反了，则合上开关后看到的现象可能是( )。

图3

A． 只有电流表有示数，灯不亮

B． 两电表均有示数，灯亮

C． 只有电压表有示数，灯不亮

D． 只有电流表有示数，灯亮

解析：在初中物理教学中，为方便学生理解，可认为电流表相当于一根导线，电阻很小，串联在电路中；电压表电阻很大，并联在用电器的两端；当这两个表接反之后，电路中电阻很大，几乎无电流，因此电流表无示数，电压表相当于直接连在电源两端，示数为电源电压，答案为C。

小结：如电压表有示数、电流表无示数，常见的原因如下：(1) 可能是与电压表并联的电路断路；(2) 可能是电压表串联在电路中，电流很小，无法显示；(3) 电流表被短路的情况也可能有，但一般不作为出题的参考。

3.2 电压表无示数，电流表有示数

例4：电源电压为6V，图4为伏安法测电阻的电路图，如果实验操作中出现：电流表有示数，电压表示数为0的现象，其故障可能是( )。

图4

A． 电流表的正、负接线柱接反

B． 电压表的量程选小了

C． 电阻Rx发生了短路

D． 把滑动变阻器下端两接线柱连入电路

解析：根据电流表有示数，说明电路是通路，应该是某处发生短路，根据电压表没有示数，说明与电压表并联的部分没有电阻，因此测不出电压大小，所以很容易得出Rx发生短路，答案为C。

例5：如图5所示，小明做测量小电灯功率的实验。闭合开关，发现小灯泡微弱发光，电流表有示数，电压表指针指向零刻度线，电路可能存在的故障是______________ 。

图5

解析：小灯泡微弱发光，说明电路是通路，只是电流比较小，电压表无示数，说明问题出在与电压表连接的部分，本题的答案是电压表接线柱松动或者接线处发生断路。

这题的原理并不复杂，但是，在考试中这道题的得分率很低，尤其是思考比较深入的同学容易发生错误，错误如下：滑动变阻器接了两个下面的接线柱、灯泡的额定功率太大或者电阻太小。的确，当滑动变阻器接了两个下接线柱时，使得接入电路的电阻太大，造成电流表示数很小，小灯泡微弱发光，但是他们忽略了电压表无示数，即使电流再小，灯泡上或多或少还是有电压的；当灯泡的额定功率太大即电阻很小时，整个电路的电阻都不大，那么电流就不会小，电压表就应该有示数。

小结：电压表无示数、电流表有示数，常见的原因如下：(1) 可能是与电压表并联的电路短路；(2) 可能是与电压表连接处的导线断了。

3.3 电流表和电压表均无示数

例6：如图6所示，在探究“电流与电阻关系”的实验中，正确连接电路后闭合开关，在移动变阻器滑片P时，两电表示数突然都变为零，则电路故障可能为( )。

图6

A．R短路 B． 滑片P接触不良

C．R0短路 D．R0断路

解析：本题中两个电表都没有示数，学生会习惯性分析R0，我们来假设一下，若R0短路，即相当于一根导线，电压表没有示数，因为电路中还有滑动变阻器，电流表应该是有示数的；若R0断路，整个电路就处于断开状态，电路中无电流，则电流表无示数，电压表示数为电源电压，说明这两种假设都错误，问题并不出在R0。若电路中的滑动变阻器接触不良，则相当于断路，那么整个电路都没有电流，电压表也没有示数，满足题干所述现象，所以答案为B。

例7：在如图7所示的电路中，电源电压保持不变，闭合开关S，电路正常工作．过了一会儿，灯L熄灭，有一个电表示数变小，另一个电表示数变大．则下列判断正确的是( )。

图7

A． 电阻R断路 B． 电阻R短路

C． 灯L断路 D． 灯L短路

解析：本题没有明确告诉学生两个仪表的示数变化情况，单从灯L熄灭的情况考虑，有R断路、L短路、L断路三种可能。若R断路，则整个电路断路无电流，电流表变小，电压表示数为电源电压、变大，满足题干条件；若L短路，则电流表示数变大，电压表示数为电源电压、也变大，不满足题干条件；若L断路，则整个电路断路无电流，由于电压表与电源两端必须通过灯泡L才能相连，所以电压表也无示数，不满足题干条件，答案为A。

小结：电压表的示数变大，原因如下：一是与电压表并联的部分发生断路，电压表示数为电源电压；二是电压表并联的外部发生短路，电压表所测电压变大；两者的不同在于有无电流，即电流表如何变化，若断路，电流表无示数，若短路，电流表示数变大。

4 用简单的器材判断故障的位置

例8：如图8所示，为了检查家庭电路中是否有短路情况，在进户线的干路上串联一个标有“PZ220-40”的白炽灯L1，然后断开家里的其他开关，只闭合S，若发光较暗，说明该支路_______，发现L1正常发光，说明该支路_______。

图8

解析：本题作为家庭电路的故障题，很具特点，因为在家庭电路中，火线、零线间并联了很多家用电器，至于是哪条线路出了问题很难判断，实验室的电流表或电压表一般不会接在家庭电路中，因此本题告诉学生在进户线的干路上串联一个额定电压为220V的灯泡，先断开所有支路开关，然后逐一闭合支路开关，看其是否能够正常发光，若发光较暗，说明该支路没有短路；若正常发光，说明该支路短路。

以上8个例题大致涵盖了电路故障的多数情况，并且知道可以通过添加仪表、导线等方式，确定故障的位置，下面我们来解决例1的(2)、(3)两问。

解析：(2) 串联电流表后，若电流表有示数，则L短路，若无示数，则R断路。

(3) 将电压表并联在L两端，若R断路，则电压表无示数；若L短路，电压表相当于测导线的电压，也无示数，可知不可行。

5 类似故障的非常态电路

例9：在如图9所示的电路中，Ro是定值电阻，L是小灯泡，R是滑动变阻器，闭合开关S，发现无论怎样移动滑动变阻器的滑片，小灯泡都不发光．现用一只电压表检测这一现象产生的原因，当电压表接a、b两点时，电压表有示数但很小；接a、c两点时，电压表示数较大．则产生上述现象的原因可能是( )。

图9

A. L短路 B. L断路

C.R断路 D.Ro阻值很大

解析：当学生看到小灯泡不发光，很有可能把故障归结于L的断路或短路、或是滑动变阻器断路，这也符合之前的分析，但继续审题发现并非如此。电压表接a、b两点，测灯泡上的电压，若L短路，电压表无示数，若L断路，电压表示数为电源电压，这与题干条件不符，同样若R断路，电压表也无示数；但题中给出了提示，接a、c两点时，电压表示数较大，说明电路既没有断路，也没有短路，只是Ro的阻值太大，分得了大部分的电压，造成灯泡电压很小，几乎看不出发光，本题答案为D。可见除了断路、短路，还有一种非常态的情况，造成了故障的假象，因此在解题的过程中不能生搬硬套。

6 小结

根据电流表和电压表示数的变化，初步断定短路或断路的位置，若电流表无示数，常常是发生断路，电压表有无示数取决于电压表所在位置，之后用题干中给出的其他现象进行验证，初步做出判断，也有并非短路、断路所造成的非常态电路，需要利用串并联电路特点进行整体分析。上述步骤体现了从局部到整体，再回到局部的研究方法，其中现象验证最为关键，要能快捷地做出判断，需要熟练掌握串联分压、并联分流的关系，逐步推理，从已知条件出发，循着规律，做出最终判断。