吴云飞

摘 要：全国中考物理试题中常会涉及到直流电路安全及保护问题。本文作者根据自己的教学经验，以不同的例题分析并演示了如何保护电流表、用电器和电压表的安全等题目。

关键词：直流电路；电流表；用电器；电压表

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2017）05-040-2

在近几年全国中考物理试题中，经常会涉及到直流电路安全及保护问题，这其中主要包括：用电器、滑动变阻器、电流表、电压表的安全及保护，因为每个电路元件都有它工作的限制条件，超出其条件工作，那么电路元件就会“不安全”，所以电路中通过各元件的电流不能超过其额定值，它两端的电压也不能超过其额定值。如标有“12V6W”灯泡，它两端的实际电压不能超过“12V”，滑动变阻器上标有“50Ω15A”的字样，通过它的电流也不得超过15A，还有电路中使用的电流表、电压表都不能超过其所给的“量程”，这些主要体现在“过流保护”、“过压保护”上，若违反这些原则，则它们可能会被烧坏，从而影响电路的正常工作，导致整个电路“罢工”。

因此保证各电路元件的安全，要应该对电路设计有一定的限制，许多九年级学生在解答这类问题时往往顾此失彼，错误率较高，既是九年级物理的教学难点，也是中考物理的一块难啃的“硬骨头”，因此只有综合运用串并联电路的基本特点、欧姆定律，既要考虑用电器、滑动变阻器的安全，又要考虑电表的安全，才能正确解答“直流电路安全及保护”的问题，故在具体计算中需要围绕电路不能正常工作的原因进行必要的讨论，解题时，不要因为考虑不周而出现解题错误。

多年来一直从事九年级毕业班的物理教学，通过在以往的教学实践中的积累与整理，我认为在中考物理中反映“直流电路安全及保护”的问题主要表现有以下几类：

一、考慮保护电流表的安全

例题1：如图所示R1是最大阻值为100Ω的滑动变阻器，电流表A1的量程是0～0.6A，电流表A的量程是0～3A，电阻R2=72Ω，电源电压恒定为18V，闭合电路后，为了保证两表都能正常工作，滑动变阻器接入电路的电阻范围有多大？

解析：由电路图可知，滑动变阻器R1与电阻R2是并联的，其中A1是测R1支路的电流I1，A是测干路电流I，因此，在滑动变阻器变化的过程中，由并联电路各支路独立工作互不影响可知通过R2的电流I2不变，即I2=U/R2=18V/7.2Ω=2.5A，

因此通过滑动变阻器的电流最大为：I1=3A-2.5A=05A，此时I1<0.6A，所以滑动变阻器此时接入电路的最小值R1=U/I1=18V/0.5A=36Ω.即滑动变阻器接入电路的阻值变化范围为36Ω～100Ω。

说明：这里我们不能将两个电流表隔离开来讨论，更不能误认为只要两个电流表的最大电流分别为各自的最大值，电流表就是安全的，因而错误的认为A1表中的最大电流I1为0.6A，从而滑动变阻器的最小值R1=U/I1=18V/0.6A=30Ω，本题考察了并联电路的特点和欧姆定律，会确定通过变阻器的最大电流是解本题的关键。

二、考虑保护用电器的安全

例题2：有两个定值电阻，它们分别标有“2A 10Ω“和“1A 5Ω”字样，

（1）若将他们串联起来使用，则电路两端允许加的最大电压为______ V；

（2）若将它们并联起来使用，则通过干路的最大电流为为_____ A。

分析：串联电路电路处处相等，为了不损坏电阻，比较两电阻允许通过的最大电流，选其中额定电流较小的电流，即电路中的电流最多等于两电阻中的最小值才行，然后根据串联电路的电阻特点和欧姆定律求出允许加在电路两端的最大电压。

解析：（1）因为串联电路中中电流处处相等，所以将两只电阻串联时，电路中的最大电流I=1A，而串联电路中总电阻等于各部分电阻之和，所以由I=U/R可知，允许加在电路两端的最大电压：U=I（R1+R2）=1A×（10Ω+5Ω）=15V。

（2）两只电阻两端允许的最大电压分别为它们的额定电压：

U1=I1R1=2A×10Ω=20V。

U2=I2R2=1A×5Ω=5V。

因为两电阻并联时它们的电压是一样的，所以将两只电阻并联时，电路两端允许所加的最大电压U′=5V，此时R2支路的电流I2=1A，通过R1支路的电流I1′=U′/R1=5V/10Ω=0.5A

因为并联电路中干路电流等于各支路电流之和，所以通过干路的最大电流：

I′=I1′+I2=0.5A+1A=1.5A。

说明：本题考察了串联电路和并联电路的特点以及欧姆定律的应用，关键是知道串联时允许通过的最大电流为两个电阻允许通过最大电流中最小的一个，两只电阻并联时电路两端的最大电压为两电阻允许所加最大电压中最小的一个，进而总结出串联时考虑到额定电流小的用电器，并联时考虑到额定电压小的用电器即可。本题不能简单的认为因为两个电阻串联，电路两端允许加的最大电压就等于两个电阻的额定电压直接相加，两个电阻并联，通过干路的最大电流就等于两个电阻的额定电流直接相加。另外本题还可以变化为两电阻并联，求电源的总电压。

三、同时考虑保护电流表和电压表的安全

例题3：在图所示的电路中，电阻R1=30Ω，滑动变阻器R2标有“100Ω 2A”字样，电流表的量程为0～0.6A，电压表的量程为0～15V。闭合开关S后，移动滑动变阻器的滑片处于某一位置时，电压表的示数为9V，电流表的示数为0.5A。求：

（1）此时滑动变阻器R2接入电路的阻值；

（2）电源电压；

（3）为了保证两个电表都能正常工作，滑动变阻器R2接入电路的阻值范围。

解析：R2=U2/I=9V/0.5A=18Ω

（2）U1=IR1=0.5A×30Ω=15V

U=U1+U2=15V+9V=24V

（3）对于电压表而言，因为电压表测量的是滑动变阻器的电压，

且当U2最大=15V时，U1′=U-U2最大=24V-15V=9V

I′=U1′/R1=9V/30Ω=0.3A

R′2最大=U2最大/I′=15V/0.3A=50Ω

对于电流表而言，因为电流表测量整个电路的电流，

当I″=0.6A时，U1″=I″R1″=0.6A×30Ω=18V

U2最小=U-U1″=24V-18V=6V

R2最小=U2最小/I″=6V/0.6A=10Ω

∴滑动变阻器的阻值范围为10Ω～50Ω

说明：在我们具体解题时，一方面要考虑电流表安全工作时滑动变阻器的滑动范围，另一方面还要考虑电压表安全工作时滑动变阻器的滑动范围，尤其要引起我们注意的是，一定要分析清楚所求得的电阻值是该种情况下的最大值还是最小值。最后结合两种情況下的电阻值得到一个正确的取值范围。

四、考虑保护多种电路元件的工作安全

例题4：如图所示，电源电压保持6V不变，电流表的量程为0～0.6A，电压表的量程为0～3V，定值电阻R1的规格为“10Ω 0.5A”，滑动变阻器的R2规格为“20Ω 1A”。闭合开关，为了保证电路安全，在变阻器滑片移动过程中，求：

①求电流表示数允许的变化范围？

②求电阻R1消耗功率允许的变化范围？

③求滑动变阻器R2接入电路的阻值允许变化范围？

④电路消耗总功率允许的变化范围？

解析：首先按常规可知允许通过电流表的最大电流为0.6A，允许通过R1的最大电流是0.5A，允许通过滑动变阻器的最大电流是1A，所以为了安全起见，故电路中的电流不能超过0.5A，

但是当I=0.5A时，I=U/（R1+R2）

即：0.5A=6V/（R2+10Ω）

解得：R2=2Ω

如果R2<2Ω，电流会超过电流表的量程，此时，电压表的示数为：

U′=IR1=0.5A×10Ω=5V>3V

所以，最大电流不能为0.5A，而应该保证电压表示数最大为3V，此时：

I最大=3V/10Ω=0.3A

R2两端的电压也是3V，所以，电阻也是10Ω。

即滑动变阻器R2接入电路的阻值允许变化范围是：10～20Ω

当电压最大时为3V，R1的功率：P1=U2/R1=（3V）2/10Ω=0.9W

当电流最小时，滑片P应该放在最左端：I最小=I′=6V/（10Ω+20Ω）=0.2A

故R1的功率：P′=I′2R1=（0.2A）2×10Ω=0.4W

所以，R1功率范围是：0.4～0.9W。

整个电路消耗总功率P最小=U I最小=6V×0.2A=1.2W

整个电路消耗总功率P最大=U I最大=6V×0.3A=1.8W

∴电路消耗总功率允许的变化范围为1.2W～1.8W

说明：本题经过分析有四个电路元件需要保护，环环相扣，若切入点不适宜，找不准，将会发现几个问题会前后牵制，互相矛盾，故最有效的思路是先能找出电路中允许通过的最大电流和最小电流，围绕最大电流和最小电流再去展开考虑其它要解决的问题，将会使问题简化，迎刃而解。