借物明理，物尽其用

借物抒情、借物喻人、托物言志等本是文人、学者为表达情感而惯用的手法，在教学中何不也来一点物为师用，借物明理。很多物品我们都熟视无睹，如果我们将之深刻剖析的话，能让我们明白很多“物”理。如我们经常使用的自行车，其实它包含的物理知识就很多，为此，很多同行不断地深挖总结出了像《自行车上的物理知识》等诸多的文献供大家教学、学习参考。今天我就借大家熟悉的断路器来谈谈如何让生活中天天用、时刻用的物体为我课堂教学或学习所用，以锻炼学生的发散思维，培养学生发现问题、提出问题、解决问题的能力。先看这样一道考题:

（2012.贵港）对于家庭电路中的漏电保护器和空气开关的作用，以下说法错误的是（　  　）

A．发生如图一甲触电时，漏电保护器不起作用

B．发生如图一乙触电时，漏电保护器不起作用

C．发生如图一所示的两种触电时，空气开关都不会断开电路

D．当电路发生短路时，空气开关会自动切断电路

人们想象的是：只要发生人体触电事故，就一定会“跳闸”啊！那情况到底是怎么样的呢？

一、断路器

断路器又称为自动空气开关或低压断路器。现代家庭中常用它来代替闸刀开关和熔断丝（俗称保险丝）。当电流达到额定值的一定倍数时可以自动切断电路，从而起到电路过载或短路的保护作用。故障排除后，断路器能手动复位，接通电路。断路器也能手动切断电路。断路器因方便、安全而越来越得到普及。在正常情况下可用于不频繁接通和断开电路。当电路发生短路、过载等故障时，能自动切断电路(俗称跳闸)。

如图二所示是一种断路器的工作原理图，请说出它在工作中用到了哪些物理知识。

这是2005年淮安市的一道中考题，借此断路器,让我们尽可能的来认知相关的物理知识:

1、工作原理

在电路正常通电的状态下，如图二甲所示，正常电流流过双金属片，双金属片不弯曲或向右弯曲的程度小，不足以使弹簧装置绕轴顺时转动并与锁扣脱开，原先接触闭合的触头不动，电路始终处于通电状态。

当有过大的电流流过双金属片时，如图二乙所示，双金属片被过度加热向右弯曲，弯曲的双金属片推动弹簧装置绕轴顺时转动使之与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将触头拉开，切断电路。涉及到的物理知识有：

①电流流过双金属片——电流产生热效应；（联想：电流还有化学效应和磁效应等。）

②双金属片受热膨胀——热胀冷缩现象；（联想：水的反膨胀现象。）

③双金属片弯曲——不同的金属膨胀系数不同，同等条件下膨胀系数大的比膨胀系数小的膨胀的厉害；（联想：生活中遇到的物体变形原因，如木地板在冬天供暖时有时会出现变形。）

④弹簧装置、锁扣装置——杠杆的应用；（联想：杠杆的有关知识点。）

⑤过大的电流——电路中总功率过大(即过载)：由可知，在U一定的情况下，P越大，I越大；（联想：哪些情况会使电路中电流过大？）

⑥过度加热——焦耳定律：由可知，在同等条件下，导体通过的电流越大，产生的热量越多，物体的温度越高；

⑦弹簧装置转动——力的作用效果、力做功、杠杆原理；

⑧弹簧收缩——形变、弹力、弹性势能转化为动能；

⑨触头分开——杠杆原理、开关。

2、该断路器能否用于短路保护？

出现短路故障时，短路电流很大，对电路的危害极大，需立即切断电路，在短时间内双金属片不能急剧膨胀弯曲至推动弹簧装置，所以不能用于电路短路保护，而只能用于过载保护。（联想：熔断器具有短路保护功能。）

3、如何改进该断路器，使之既有过载保护功能，又有短路保护功能？

如图三甲所示，可以在电路中串联一熔断器。

①熔断器——电流的热效应

俗称保险丝，在低压配电网络中用做短路保护。使用时，熔断器应串联在所保护的电路中。当线路或设备发生短路时，通过熔断器的电流达到或超过某一规定值，以其自身产生的热量使熔体熔断，使线路或电气设备脱离电源，起到保护作用。由于更换比较麻烦，目前生活中已经很少使用。

如图三乙所示，也可以串联一过电流脱扣器装置。

②过电流脱扣器——电磁原理、电磁铁、电磁铁的磁性强弱

当电路通过正常电流时，过电流脱扣器的产生的磁力不够大，不能吸合右侧的衔铁，电路正常工作。

当线路发生短路或严重过载时，短路电流超过过电流脱扣整定电流值，过电流脱扣器的电磁铁产生足够大的吸力（电磁铁的磁性与电流大小有关,电流越大磁性越强），吸合右侧的衔铁，衔铁撞击弹簧装置使之绕轴顺时旋转与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将触头分开，从而切断电路。而在短时间内双金属片并不会因电流过大弯曲。因此改进后断路器既有过载保护功能，又有短路保护功能，这就是我们家庭中常用的俗称的空气开关。

在现代人的生活中，断路器是一种举足轻重的电路装置，而且是家用电路中最重要的安全机制之一，一旦房屋配线中的电流流量过大，这种简单的电路装置（空气开关）就会切断电源，直至故障被排除。那么它能预防人体触电吗？

二、漏电保护器

漏电保护断路器是一种安全保护电器，俗称“保安器”、“保命器”，在电路中作为触电和漏电保护用。在线路或设备出现对地漏电或人身触电时，迅速自动断开电路，能够有效地保证人身和线路安全。漏电保护断路器的额定漏电流为30～100 mA，漏电脱扣动作时间小于0.1。如图四所示，是一种漏电保护断路器的最基本的结构原理图。

1、工作原理

用于单相电路的二线漏电保护器的原理结构主要由开关、检测漏电电流用的互感器和脱扣器等部分组成。两根输入导线同时穿过环形铁心，再接至负载。

电路正常工作时，如图四甲所示，漏电电流I漏=0，此时穿过环形铁心上的电路电流I火和I零大小相等、方向相反，I火+I零=0。在环形铁心中两电流分别产生的磁通大小相等、方向相反。铁心中产生的合磁通为零，故互感器环形铁心上的另一个二次绕组回路没有感应电压，脱扣器不动作。

当发生漏电时，如图四乙所示，产生漏电电流I漏≠0，所以I火>I零，此时环形铁心中产生的合磁通不为零，则铁心上二次绕组回路会产生感应电压，当漏电电流增大到预定的数值时，脱扣器动作，开关的锁扣被释放而分断电路。快速高灵敏度的漏电保护器从电路发生故障到主开关分断的过程很快，即使发生了人身触电，当触电电流还没有引起致命的危害时，保护器即迅速分断电路，保护人身安全。

但当发生如图四丙所示的触电时，人体就相当于一个额定功率为25W～50W的家用电器和用户并联，穿过互感器的电路电流I火和I零仍然大小相等、方向相反，铁心中产生的合磁通仍然为零，故互感器环形铁心上的另一个二次绕组回路没有感应电压，脱扣器不可能动作，不能保障人身安全。新增加的物理知识有：

①两根输入导线同时穿过环形铁心——一次（双线）绕组（相当于原线圈）；

②二次绕组——副线圈（如图五所示）；（联想：变压器的结构和原理）

③磁通——Φ=BS，表示磁场分布情况的物理量；

④二次绕组回路产生感应电压——电磁感应现象。

2、如果发生短路或过载，漏电保护器会不会“跳闸”？

根据上述原理可见，漏电保护器是通过检测火线和零线的电流是否相等来工作的，只有当火线电流比零线电流大至一定值时，说明电路的某个地方接地“漏电”，电流从别处（不经过零线）跑了，漏电保护器才会迅速切断电路，保护人身安全 。

而空气开关则是通过流过的电流大小来工作的，只有在电路过载、短路等情况下电流过大时才起到保护作用。

在弄明白了漏电保护器和空气开关的工作原理后，上题答案B也就不言而喻了。

A、这种现象电流会从人的右手边到左手边回到零线。相当于人是一个负载。不存在漏电，所以漏电保护器不会起作用。故A正确，但不符合题意；

B、电流直接由人体流入大地，火线与零线的电流不相等，漏电保护器会自动断开，起到保护作用。故B错误，符合题意；

C、甲、乙两种触电发生，都不会使电路中的电流过大，所以两种情况的触电，空气开关都不起作用。C选项正确，不符合题意；

D、当电路发生短路时，电路中的电流极大，空气开关会自动切断电路，起到保护作用。故D正确，但不符合题意。

总之，大家要明白家庭常用的不带漏电保护的断路器是不具备防触电和防漏电功能的。一定不要认为家庭电路中有了断路器，就一定会保障人身安全。

为安全用电，所以我们家庭电路中的插座往往都使用带接地的三孔插座，金属外壳的家电都强制接地。这是因为当电器线路出现漏电时，外壳是个和火线相连的带电体（如图六所示），如外壳不接地（如图六甲所示），当人触摸外壳时可能会发生触电，如外壳接地（如图六乙所示），由于人体电阻远大于导线电阻，即使发生漏电，漏电电流将会经过地线流走，很少经过人体，确保了人身安全。

断路器虽小，但蕴藏的知识很丰富。只要我们时时留意身边物，处处用心将物剖，借物明理，物为理用，小到一根针（还可以更小），大到一列车（也可以更大），学习物理将不再枯燥。