梅 瑩 戴同蘭

南京信息工程大學(xué)空間天氣研究所(210044) 江蘇省泰州市高港區(qū)教師發(fā)展中心(225323)

1 問題的提出

2018年江蘇省泰州市物理中考試題第32題，借助對家庭電路故障的分析，考查學(xué)生對測電筆使用的實(shí)驗(yàn)操作能力及電路綜合分析能力，是一道考查學(xué)生利用基本測量工具解決實(shí)際問題的題目。

試題：如圖1所示為某家庭衛(wèi)生間電路，電燈和電熱器都在正常工作，在三線插座上剛插上洗衣機(jī)(開關(guān)未閉合)的插頭時，所有用電器都停止工作，拔出洗衣機(jī)的插頭后，用測電筆測試三線插座的左右兩孔，氖管都發(fā)光，檢查發(fā)現(xiàn)有一根熔絲熔斷了。下列分析不合理的是( )。

圖1 試題圖示

A．一定是零線上的熔絲熔斷了

B．?dāng)嚅_S1、S2，再用測電筆檢測三線插座的左右兩孔，氖管都發(fā)光

C．只斷開S1，再用測電筆檢測開關(guān)S1的兩個接線柱，氖管都發(fā)光

D．只斷開S2，再用測電筆檢測開關(guān)S1的兩個接線柱，氖管都發(fā)光

要順利解答本試題，需要對家庭電路的組成、測電筆的結(jié)構(gòu)及使用方法等相關(guān)知識有全面的理解才行。

2 家庭電路的組成

2.1 家庭電路的電源

家庭電路的電源是由進(jìn)戶線即火線和零線組成，正常情況下火線和零線之間的電壓為220 V，為用電安全考慮，家庭電路中還接有地線，在正常情況下，零線和大地之間的電壓為0 V，火線和大地之間的電壓為220 V，如圖2所示。

圖2 家庭電路電源

2.2 家庭電路的電路圖(部分)

如圖3所示，是家庭電路的(部分)電路圖，由圖可知，家庭電路主要由進(jìn)入家庭的進(jìn)戶線(電源線)、電能表、總開關(guān)、熔斷器、開關(guān)、插座及用電器等組成。為了保證每個用電器都能獨(dú)立工作，各個用電器都是一端接在火線上，另一端接在零線上，即這些用電器都是并聯(lián)的，這樣當(dāng)一個支路發(fā)生斷路故障時，其他支路仍能正常工作。

圖3 家庭電路的(部分)電路圖

3.1 測電筆的結(jié)構(gòu)

測電筆的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由筆尖金屬電極、一個阻值很大的電阻——高電阻、氖管、彈簧和筆尾金屬電極等組成。

圖4 測電筆

3.2 測電筆的使用方法

(1)使用測電筆時，手要接觸測電筆尾部的筆尾金屬電極，如圖5所示。如果測電筆接觸的是火線或與火線相連的導(dǎo)體，那么電流就會從火線經(jīng)測電筆、人體與大地構(gòu)成一個完整的電流回路，這時有微弱電流通過測電筆，因此氖管會發(fā)光。如圖6所示，如果測電筆接觸的是零線因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，零線和大地之間的電壓為0 V，那么就沒有電流通過測電筆，因此氖管不會發(fā)光。

圖5 測電筆的使用1

圖6 測電筆的使用2

(2)一般來說，當(dāng)測電筆的筆尖接觸電線(或與電線連通的導(dǎo)體)時，氖管發(fā)光，表示接觸的是火線；氖管不發(fā)光，表示接觸的是零線。

(3)如圖7(a)表示測電筆的正確用法。圖7(b)表示不正確的用法，該圖中，人體沒有哪個部位與筆尾金屬電極相連，即使測電筆接觸的是火線，此時電流從火線出來，流出到測電筆，無法回到零線或大地構(gòu)成電流通路，所以氖管不發(fā)光，此時無法用測電筆判斷火線和零線。所以正確使用測電筆時，人體或者是人體的某個部位必須與筆尾金屬電極相連才行。

(a)測電筆的正確用法 (b)測電筆的不正確用法圖7 測電筆的使用3

(4)當(dāng)測電筆的筆尖接觸電線時，絕不允許用手或身體的其他部位再去接觸筆尖。如果筆尖接觸的是火線，則當(dāng)電流從火線經(jīng)人體與大地構(gòu)成一個電流通路，相當(dāng)于220 V伏的電壓直接加在人體上，遠(yuǎn)大于對人體而言的安全電壓(不高于36 V)，從而引起觸電事故。如果筆尖接觸的是與火線相連的導(dǎo)體，則當(dāng)電流從火線經(jīng)導(dǎo)體、人體與大地構(gòu)成一個電流通路，相當(dāng)于220 V的電壓加在人體和導(dǎo)體上。一般一個額定功率大約是幾十瓦的用電器，電阻約為幾千歐，正常情況下，人體的電阻大約是2 000 Ω左右，根據(jù)串聯(lián)分壓的原理，可以知道，在這種情況下人體分得的電壓還是大于安全電壓，同樣會引起觸電事故。

3.3 圖例示范測電筆使用的幾種情況

圖8中，對第①個人而言，人體接觸了測電筆的筆尾金屬電極：其電流路徑為：火線—測電筆—人體—大地，構(gòu)成了完整的電流通路，所以測電筆的氖管會發(fā)光。

圖8 圖例示范測電筆的使用1

對第②個人而言，人體接觸了測電筆的筆尖金屬電極，其電流路徑為：火線—人體—大地，構(gòu)成了完整的電流通路，相當(dāng)于220 V的電壓直接加在人體上，所以會引起觸電事故，此時測電筆被斷路，測電筆的氖管不會發(fā)光。這也就是當(dāng)測電筆的筆尖接觸電線時，絕不允許用手或人體的其他部位再去接觸筆尖金屬電極的原因。

圖8中，當(dāng)開關(guān)閉合時，燈泡L正常發(fā)光，此時對第③個人而言，人體接觸了測電筆的筆尾金屬電極，其電流路徑為：火線—a—開關(guān)S—b—測電筆—人體—大地，構(gòu)成了完整的電流通路，所以測電筆的氖管會發(fā)光。對第④個人而言，人體接觸了測電筆的筆尾金屬電極：其電流路徑為：火線—a—開關(guān)S—b—燈泡L—c。到該處時電流分成兩條路徑：一條是從c—測電筆—人體—大地；另一條是電流直接從c—d—零線，構(gòu)成了完整的電流通路，由于測電筆中有高電阻，且人體也有電阻，所以從c—測電筆—人體—大地這一條支路被第二條支路短路，相當(dāng)于是部分短路，沒有電流通過測電筆這條支路，所以測電筆的氖管不會發(fā)光，人也不會發(fā)生觸電事故。這種情況，學(xué)生有時候不太容易理解。

圖9 圖例示范測電筆的使用2

圖9中，當(dāng)開關(guān)閉合時，燈泡L不發(fā)光，用測電筆測試a、b、c、d4點(diǎn)時，測電筆的氖管都會發(fā)光，其故障是進(jìn)戶零線發(fā)生斷路，或者是從d點(diǎn)向左一直到零線某處發(fā)生了斷路。

此時對第⑤⑥兩個人而言，人體都接觸到了測電筆的筆尾金屬電極。對第⑤個人而言，其電流路徑為：火線—a—測電筆—人體—大地，構(gòu)成了完整的電流通路，所以測電筆的氖管會發(fā)光。對b點(diǎn)而言，如果第⑤個人移動到該處，相當(dāng)于多了一個閉合的開關(guān)，所以測電筆的氖管也會發(fā)光。對第⑥個人而言，其電流路徑為：火線—a—開關(guān)S—b—燈泡L—c—測電筆—人體—大地，構(gòu)成了完整的電流通路，所以測電筆的氖管會發(fā)光；對d點(diǎn)而言，如果第⑥個人移動到該處，相當(dāng)于多了一根導(dǎo)線cd，所以測電筆的氖管也會發(fā)光；因此用測電筆測試a、b、c、d4點(diǎn)時，測電筆的氖管都會發(fā)光。

4 對2018年泰州市物理中考試題第32題的深度剖析

4.1 命題意圖

試題考査學(xué)生用測電筆辨認(rèn)火線與零線、插座連接時要滿足“左零右火”這些基本知識點(diǎn)，通過借助考查家庭電路故障的分析，有效的考查了學(xué)生對測電筆使用的實(shí)驗(yàn)操作能力及綜合分析能力。要求學(xué)生不僅知道測電筆的使用，還要知道家庭電路的組成及其連接方式。插座連接時要按照“左零右火”的方式，短路和斷路的區(qū)別等相關(guān)知識點(diǎn)，是一道考查學(xué)生利用基本測量工具解決實(shí)際問題的好題目。

該題能夠考查學(xué)生用測電筆辨別火線與零線的能力，有利于引導(dǎo)初中物理教師重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

4.2 深度剖析

試題考查學(xué)生家庭電路故障分析。根據(jù)題目中的已知條件：只有一根熔絲熔斷，而且三孔插座的左右兩孔都能使測電筆的氖管發(fā)光，說明兩孔都直接或者間接的與火線相連接，即火線是接通的，那么不可能是火線上的熔絲熔斷，一定是零線上的熔絲熔斷了，故選項(xiàng)A合理。

家庭電路中為了保證每個用電器都能獨(dú)立工作，各個用電器都是一端接在火線上，另一端接在零線上，即這些用電器是并聯(lián)的，這樣，當(dāng)一個支路發(fā)生斷路故障時，其他支路仍能正常工作。該題中各用電器和插座都是并聯(lián)在電路中，斷開S1、S2，再用測電筆檢測三線插座的左右兩孔，檢測右孔時，電流路徑是：火線—熔絲—插座—右孔—測電筆—人體—大地，構(gòu)成了完整的電流通路，所以測電筆的氖管會發(fā)光。檢測左孔時，由于S1、S2都斷開了，電燈和電熱器都發(fā)生了斷路，所以電流從火線經(jīng)熔絲后，無法回到左孔，所以測電筆的氖管不會發(fā)光，故選項(xiàng)B不合理。

只斷開S1，再用測電筆檢測開關(guān)S1的兩個接線柱。檢測開關(guān)S1的上面接線柱時，電流路徑是：火線—熔絲—繼續(xù)向下到開關(guān)S1的上面接線柱—測電筆—人體—大地，構(gòu)成了完整的電流通路，所以測電筆的氖管會發(fā)光。檢測開關(guān)S1的下面接線柱時，電流路徑是：火線—熔絲—繼續(xù)向右到開關(guān)S2—電熱器—繼續(xù)向上然后向左再向下到電燈—開關(guān)S1的下面接線柱—測電筆—人體—大地，構(gòu)成了完整的電流通路，所以測電筆的氖管會發(fā)光,故選項(xiàng)C合理。

只斷開S2，再用測電筆檢測開關(guān)S1的兩個接線柱。檢測開關(guān)S1的上面接線柱時，電流路徑是同上面的C答案的分析一樣；檢測開關(guān)S1的下面接線柱時，電流路徑是：火線—熔絲—開關(guān)S1的上面接線柱—開關(guān)S1的下面接線柱—測電筆—人體—大地，構(gòu)成了完整的電流通路，所以測電筆的氖管會發(fā)光，故選項(xiàng)D合理。所以試題正確答案為B。