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设计一个防火报警器
(1) 改变通过电动机的电流方向
(2) 利用滑动变阻器改变通过电动机电流的大小
开关
不可以
N
不会

【分析】
首先回忆电动机的工作原理:电动机的转动方向由通过线圈的电流方向和磁场方向共同决定,转速与通过线圈的电流大小有关(电流越大,转速越快)。
对于本题的电路设计,我们需要实现两个功能:①改变电动机的转动方向;②改变电动机的转速。
思考步骤:
1. 改变转动方向:由于电动机的磁场方向(内部永磁体或定子磁场)固定,所以可通过改变通过电动机的电流方向实现,这就需要用到单刀双掷开关切换电流的流入方向(方案一用两个单刀双掷开关配合,方案二用单刀双掷开关切换不同电源,从而改变电流方向)。
2. 改变转速:根据欧姆定律,滑动变阻器可改变电路中的电阻,从而改变电路中的电流大小,电流越大,电动机转速越快,因此用滑动变阻器串联在电路中,通过调节滑片改变电流大小来控制转速。
再结合题目要求,任选一个方案完成电路连接后,对应回答两个问题即可。
【解析】
以选择方案一为例:
1. 电路连接:将电源、滑动变阻器P、开关S、电动机M依次串联;再将单刀双掷开关S₁的a端与S₂的c端连接,S₁的b端与S₂的d端连接,通过切换S₁、S₂的触点,可改变电动机的电流流入方向。
2. 问题解答:
(1) 改变转动方向:操作两个单刀双掷开关,使电流从电动机的不同端口流入,即改变通过电动机的电流方向,即可改变电动机的转动方向(因为电动机内部磁场方向固定,电流方向改变时,线圈受力方向改变,转动方向改变)。
(2) 改变转速:调节滑动变阻器的滑片P,改变滑动变阻器接入电路的电阻大小,根据欧姆定律 $I=\frac{U}{R}$,电路总电阻改变时,电流大小改变,从而利用滑动变阻器改变通过电动机电流的大小,电流越大,电动机转速越快,实现转速调节。
若选择方案二:
1. 电路连接:将滑动变阻器P、开关S、电动机M依次串联,单刀双掷开关S的两个触点分别连接两个电源的不同极,切换开关即可改变电动机的电流方向。
2. 问题解答与方案一一致:(1) 改变通过电动机的电流方向;(2) 利用滑动变阻器改变通过电动机电流的大小。
【答案】
(1) 改变通过电动机的电流方向
(2) 利用滑动变阻器改变通过电动机电流的大小
【知识点】
电动机转向影响因素;电动机转速影响因素;滑动变阻器的作用
【点评】
本题结合实际电路设计场景,考查电动机的工作特性,需要将电动机的转向、转速的影响因素与电路元件的功能(单刀双掷开关、滑动变阻器)结合起来,既需要理解电磁学的理论知识,也需要具备简单的电路设计能力,注重理论联系实际。
【难度系数】
0.6
【分析】
本题围绕电磁继电器的实际应用展开,需分模块梳理思路:
1. 电路连接:明确控制电路(电源、光控开关、电子脉冲感应开关、电磁铁)和受控电路(电源、摄像系统、继电器触点)的组成,电流从A端流入电磁铁,需将控制电路元件串联,受控电路通过衔铁通断实现控制。
2. 电磁继电器性质:电磁继电器是通过电磁铁通断来控制受控电路的装置,本质是开关;衔铁需被电磁铁吸引,铜不属于铁磁性材料,无法被电磁铁吸引,故不能替代。
3. 电磁铁极性与电源影响:用安培定则判断极性,电流从A端流入时,右手握住螺线管,四指指向电流方向,大拇指指向即为N极;对调电源正负极仅改变电磁铁极性,不影响其磁性强弱,仍能吸合衔铁,因此不影响摄像系统工作。
【解析】
(1) 电路连接:控制电路:电源正极→光控开关→电磁铁A端→电磁铁另一端→电子脉冲感应开关→电源负极;受控电路:电源→摄像系统→电磁继电器动触点与静触点,当电磁铁吸合衔铁时,受控电路接通(连接图如参考答案所示)。
(2) 电磁继电器通过电磁铁的通断控制受控电路的通断,相当于开关;衔铁需要被电磁铁吸引,铜不是铁磁性材料,无法被电磁铁吸引,因此不可以用铜质材料代替。
(3) 根据安培定则,右手握住电磁铁,电流从A端流入(螺线管下端流入),四指指向电流方向,大拇指指向上端,故上端为N极;对调控制电路电源正负极,电磁铁极性改变但仍有磁性,能正常吸合衔铁,受控电路可正常接通,因此不会影响摄像系统的正常工作。
【答案】
(1) 连接图见参考答案;
(2) 开关;不可以;
(3) N;不会
【知识点】
电磁继电器原理;安培定则;电磁铁磁性特点
【点评】
本题结合闯红灯抓拍的实际场景,考查电磁继电器的工作逻辑、电磁铁性质及安培定则的应用,要求将物理知识与实际装置结合,理解控制电路与受控电路的关联,注重知识的实际应用能力。
【难度系数】
0.6