2025年高二物理下學期電路設(shè)計大賽筆試部分一、選擇題（每題3分，共30分）1.電路基本概念在如圖所示的串聯(lián)電路中，電源電動勢為12V，內(nèi)阻為1Ω，三個電阻分別為R?=3Ω、R?=2Ω、R?=6Ω。閉合開關(guān)后，R?兩端的電壓為（）A.2VB.3VC.4VD.6V解析：總電阻R=1+3+2+6=12Ω，總電流I=E/R=12/12=1A，R?兩端電壓U=IR?=1×2=2V，答案選A。2.歐姆定律應(yīng)用某滑動變阻器標有“50Ω1A”字樣，將其與一個8V電源（內(nèi)阻不計）串聯(lián)成閉合電路。為保證電路安全，滑動變阻器接入電路的最小阻值為（）A.3ΩB.5ΩC.8ΩD.10Ω解析：最大電流1A，總電阻最小為8/1=8Ω，滑動變阻器最小阻值8-0=8Ω（電源內(nèi)阻不計），答案選C。3.電路故障分析在并聯(lián)電路中，閉合開關(guān)后發(fā)現(xiàn)干路電流表示數(shù)突然變大，一個支路燈泡熄滅，另一個支路燈泡亮度變亮?？赡艿墓收显蚴牵ǎ〢.熄滅燈泡短路B.熄滅燈泡斷路C.變亮燈泡短路D.電源電壓升高解析：短路會導(dǎo)致電流過大，并聯(lián)支路短路會使該支路電流無窮大，干路電流變大，另一支路因電壓升高而變亮，答案選A。4.電功與電功率標有“220V100W”和“220V40W”的兩個燈泡串聯(lián)接入220V電路，實際功率之比為（）A.2:5B.5:2C.4:10D.10:4解析：由P=U2/R得R?=2202/100=484Ω，R?=2202/40=1210Ω，串聯(lián)電流相同，P=I2R，功率比=R?:R?=484:1210=2:5，答案選A。5.多用電表使用用多用電表測量電阻時，下列操作正確的是（）A.測量前無需機械調(diào)零B.換擋后必須重新歐姆調(diào)零C.可直接測量電源兩端電阻D.測量時手可以接觸電阻兩端解析：多用電表換擋后需重新歐姆調(diào)零，測量電阻時不能接觸表筆金屬部分，不能測帶電電路，答案選B。6.復(fù)雜電路分析如圖所示的橋式電路中，當R?=R?=R?=R?=10Ω時，A、B兩點間的等效電阻為（）A.5ΩB.10ΩC.20ΩD.40Ω解析：電橋平衡時中間電阻無電流，等效為(R?+R?)//(R?+R?)=20//20=10Ω，答案選B。7.電容電路特性在RC串聯(lián)電路中，接通直流電源后，電容器充電過程中（）A.電流逐漸增大B.電容器兩端電壓逐漸減小C.電阻兩端電壓逐漸增大D.電路總電阻逐漸增大解析：充電過程中，電容電壓逐漸增大，電阻電壓逐漸減小，電流逐漸減小，答案選C。8.非純電阻電路某電動機線圈電阻為2Ω，接在220V電源上，正常工作時電流為10A。電動機輸出功率為（）A.200WB.2000WC.2200WD.2400W解析：總功率P=UI=220×10=2200W，熱功率P熱=I2R=100×2=200W，輸出功率=2200-200=2000W，答案選B。9.電磁感應(yīng)與電路矩形線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交變電流，若轉(zhuǎn)速提高一倍，則（）A.周期變?yōu)樵瓉淼?倍B.頻率變?yōu)樵瓉淼?倍C.最大值變?yōu)樵瓉淼?/2D.有效值不變解析：轉(zhuǎn)速n與頻率f關(guān)系為f=n，轉(zhuǎn)速提高一倍，頻率變?yōu)?倍，周期變?yōu)?/2，最大值Em=NBSω=2πNBSn，變?yōu)?倍，答案選B。10.安全用電常識家庭電路中空氣開關(guān)跳閘后，正確的處理方法是（）A.立即合上空氣開關(guān)B.檢查電路故障后再合上C.更換更大容量的空氣開關(guān)D.拆除空氣開關(guān)直接連接解析：跳閘表明電路過載或短路，應(yīng)先排查故障，答案選B。二、填空題（每空2分，共20分）把阻值為3Ω和6Ω的兩個電阻并聯(lián)，其等效電阻為______Ω。答案：2（解析：1/R=1/3+1/6=1/2，R=2Ω）某電流表內(nèi)阻為0.1Ω，量程為0.6A，若改裝成3A電流表，需并聯(lián)______Ω的分流電阻。答案：0.025（解析：IgRg=(I-Ig)R，0.6×0.1=(3-0.6)R，R=0.06/2.4=0.025Ω）用伏安法測量電阻時，若待測電阻遠大于電流表內(nèi)阻，應(yīng)采用______接法（填“內(nèi)”或“外”）。答案：內(nèi)（解析：大電阻用內(nèi)接法，減小電壓表分流誤差）某電源輸出功率隨外電阻變化的關(guān)系圖像中，當外電阻等于______時，輸出功率最大。答案：電源內(nèi)阻（解析：電源輸出功率最大值條件R=r）三個相同電容器（C=2μF）串聯(lián)后的總電容為______μF。答案：2/3（解析：串聯(lián)電容1/C=1/2+1/2+1/2=3/2，C=2/3μF）某電路在10秒內(nèi)消耗電能200J，電路的平均功率為______W。答案：20（解析：P=W/t=200/10=20W）萬用表歐姆檔測量電阻時，指針指在刻度盤______位置時測量誤差最?。ㄌ睢白蠖恕薄爸虚g”或“右端”）。答案：中間（解析：中值電阻處測量精度最高）在如圖所示的分壓電路中，為使負載電壓從0開始調(diào)節(jié)，滑動變阻器的______端應(yīng)接電源正極（填“左”或“右”）。答案：左（解析：分壓電路需將滑動變阻器全部接入電路，滑片靠近負極時輸出電壓為0）某交變電流的表達式為i=10sin(100πt)A，其有效值為______A。答案：5√2（解析：正弦電流有效值I=Im/√2=10/√2=5√2A）電路設(shè)計中，保護電阻通常與用電器______聯(lián)（填“串”或“并”）。答案：串（解析：串聯(lián)保護電阻可限制電流，防止過載）三、實驗題（共30分）實驗一：伏安法測電阻（15分）現(xiàn)有以下器材：待測電阻Rx（約5Ω）電流表A（0.6A，內(nèi)阻0.1Ω）電壓表V（3V，內(nèi)阻3kΩ）滑動變阻器R（20Ω，2A）電源E（4V，內(nèi)阻不計）開關(guān)、導(dǎo)線若干畫出實驗電路圖，說明電流表接法理由。（5分）答案：采用電流表外接法。因為Rx=5Ω，RV/Rx=3000/5=600，Rx/RA=5/0.1=50，RV/Rx>Rx/RA，外接法誤差更小。實驗中發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)為2.4V，電流表示數(shù)為0.5A，計算Rx的測量值和真實值。（6分）答案：測量值R測=2.4/0.5=4.8Ω真實值：IV=2.4/3000=0.0008A，Ix=0.5-0.0008≈0.4992A，R真=2.4/0.4992≈4.81Ω若要使測量值更接近真實值，可采取哪些改進措施？（4分）答案：①改用內(nèi)阻更小的電壓表；②采用電流表內(nèi)接法（當Rx增大時）；③使用補償電路（如惠斯通電橋）。實驗二：多用電表使用（15分）用多用電表測量一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻，回答下列問題：選擇開關(guān)應(yīng)撥至______檔（填“直流電壓2.5V”或“直流電流100mA”）。（3分）答案：直流電壓2.5V測量時發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)角度過小，應(yīng)______量程（填“增大”或“減小”）。（3分）答案：增大（指針偏角小說明量程過大）某次測量指針如圖所示，讀數(shù)為______V。若該電池內(nèi)阻為0.5Ω，短路電流為______A。（6分）答案：1.45V（量程2.5V，分度值0.05V，指針指29格）；短路電流I=E/r=1.45/0.5=2.9A簡述用多用電表判斷二極管正負極的方法。（3分）答案：①選擇歐姆檔×1k；②紅表筆接二極管一端，黑表筆接另一端，讀數(shù)小則黑表筆為正極；③交換表筆再測，讀數(shù)大則紅表筆為正極。四、計算題（共40分）1.直流電路計算（15分）如圖所示電路，電源電動勢E=18V，內(nèi)阻r=1Ω，R?=5Ω，R?=6Ω，R?為滑動變阻器（0-20Ω）。求：（1）當R?=8Ω時，干路電流和電源輸出功率；（2）R?為何值時，R?消耗功率最大；（3）R?為何值時，電源輸出功率最大。解答：（1）外電路總電阻R=R?+(R?//R?)=5+(6×8)/(6+8)=5+48/14≈5+3.43=8.43Ω干路電流I=E/(R+r)=18/(8.43+1)≈18/9.43≈1.91A輸出功率P=EI-I2r=18×1.91-(1.91)2×1≈34.38-3.65≈30.73W（2）R?消耗功率P?=U?2/R?，U?=E×(R?//R?)/(R?+r+R?//R?)令R并=R?R?/(R?+R?)，則U?=18R并/(5+1+R并)=18R并/(6+R并)P?=(18R并)2/(R?(6+R并)2)=324R并2/(6(6+R并)2)=54R并2/(6+R并)2設(shè)x=R并，P?=54x2/(x+6)2，求導(dǎo)得P?'=54[2x(x+6)2-x2·2(x+6)]/(x+6)^4=54[2x(x+6)-2x2]/(x+6)^3=54[12x]/(x+6)^3當x→∞時P?趨近54W，因R?最大20Ω，R并=6×20/(6+20)=120/26≈4.62Ω，此時P?=54×(4.62)2/(4.62+6)^2≈54×21.34/112.7≈10.1W，故R?=20Ω時P?最大。（3）電源輸出功率最大條件R外=r=1Ω，但R?=5Ω>1Ω，故無法滿足，此時輸出功率隨外電阻增大而減小，R?=0時外電阻最小（5+0=5Ω），輸出功率最大。2.電路設(shè)計與應(yīng)用（25分）設(shè)計一個簡易恒溫控制電路，要求：（1）電源電壓12V；（2）加熱功率可調(diào)節(jié)（10W-50W）；（3）溫度達到60℃時自動切斷加熱，低于50℃時恢復(fù)加熱；（4）具有過流保護功能（最大電流不超過5A）。回答下列問題：畫出電路原理框圖，標明各模塊名稱。（5分）答案：電源模塊→溫控模塊→開關(guān)模塊→加熱模塊↓過流保護模塊→|計算加熱電阻的阻值范圍，選擇合適的滑動變阻器規(guī)格。（6分）答案：最小功率10W時，Rmax=U2/P=122/10=14.4Ω最大功率50W時，Rmin=122/50=2.88Ω滑動變阻器應(yīng)與加熱電阻串聯(lián)，總電阻范圍2.88Ω-14.4Ω，若加熱電阻取3Ω（定值），則滑動變阻器需0-11.4Ω，選“20Ω2A”規(guī)格。說明溫控模塊的核心元件及工作原理。（7分）答案：核心元件為雙金屬片溫控開關(guān)或熱敏電阻+比較器。原理：當溫度低于50℃時，溫控開關(guān)閉合，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，加熱電路工作；溫度升至60℃時，雙金屬片形變使觸點斷開，三極管截止，加熱停止；溫度下降后雙金屬片恢復(fù)，電路重新接通。設(shè)計過流保護電路，畫出電路圖并計算關(guān)鍵元件參數(shù)。（7分）答案：采用取樣電阻+比較器方案。取樣電阻R0=0.5Ω（5A時壓降2.5V），比較器選用LM393，參考電壓2.5V。當電流超過5A時，R0壓降>2.5V，比較器輸出低電平，切斷加熱電路。保護電阻功率P=I2R0=52×0.5=12.5W，選用20W金屬膜電阻。四、綜合應(yīng)用題（共20分）某同學設(shè)計了一個如圖所示的樓道感應(yīng)燈電路，白天光線充足時燈不亮，夜晚光線較暗且有聲音時燈亮30秒后自動熄滅。已知電路包含：聲控開關(guān)（有聲音時閉合，無聲時斷開）光控開關(guān)（光線暗時閉合，亮時斷開）延時電路（通電后延時30秒斷開）燈泡（12V，10W）12V直流電源連接實物電路，說明各元件的連接關(guān)系。（8分）答案：電源正極→光控開關(guān)→聲控開關(guān)→延時電路輸入端→繼電器線圈→電源負極；繼電器常開觸點→燈泡→電源負極。當光線暗且有聲音時，兩開關(guān)閉合，延時電路觸發(fā)，繼電器吸合，燈泡點亮30秒后延時電路斷開，繼電器釋放，燈泡熄滅。計算燈泡正常工作時的電流和電阻，選擇合適的繼電器規(guī)格。（6分）答案：電流I=P/U=10/12≈0.83A，電阻R=U/I=12/0.83≈14.4Ω。繼電器需常開觸點電流≥1A，線圈電壓12V，選“JQC-3FF12V5A”繼電器。若延時電路采用RC電路實現(xiàn)，已知電容C=1000μF，計算所需泄放電阻的阻值。（6分）答案：RC電路延時時間t≈1.1RC，30=1.1×R×1000×10??，R=30/(1.1×0.001)≈27273Ω≈27kΩ，選用27kΩ1/4W電阻。五、設(shè)計題（共40分）題目：智能節(jié)水灌溉控制電路設(shè)計一個基于555定時器的自動灌溉系統(tǒng)，要求：土壤濕度低于30%時啟動水泵，高于70%時停止；水泵工作時LED指示燈亮，故障時蜂鳴器報警；供電電壓DC12V，水泵功率50W；具有手動/自動切換功能。完成以下任務(wù)：繪制完整電路原理圖（標明元件參數(shù)）；（15分）答案：電源模塊：12V蓄電池+7805穩(wěn)壓器（給控制電路供電）濕度檢測：濕敏電阻（5kΩ-50kΩ）+比較器LM393（上下限閾值）控制核心：555定時器接成施密特觸發(fā)器執(zhí)行機構(gòu)：繼電器（控制水泵）、LED指示燈、蜂鳴器切換開關(guān)：單刀雙擲開關(guān)（手動/自動）計算水泵工作電流及保護fuse的額定電流；（5分）答案：水泵電流I=50/12≈4.17A，fuse選5A（1.2倍額定電流）。說明濕度檢測電路的工作原理，計算閾值電阻值；（10分）答案：濕敏電阻Rs與定值電阻R串聯(lián)，當濕度30%時Rs=50kΩ，分壓U=12×R/(R+50kΩ)=6V（比較器閾值），解得R=50kΩ；濕度70%時Rs=5kΩ，分壓U=12×R/(R+5kΩ)=6V，解得R=5kΩ。采用兩個比較器分別檢測上下限。分析電路中存在的干擾因素及抗干擾措施。（10分）答案：干擾因素：電源波動、傳感器引線干擾、水泵電機火花抗干擾措施：①電源端并聯(lián)100μF電解電容和0.1μF