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第3节 跨学科实践:为家庭电路做设计
家里正在准备进行装修改造,刚学过生活用电这一章的小明给爸爸提建议:要根据家里的用电需求提前做好规划,以保证家庭电路安全、合理。爸爸同意小明的建议,鼓励他先做一个家庭电路的设计。
为使家庭电路安全、合理、方便、经济,小明认为,应该从已有和拟购置的电器出发,先估计家中总体的用电器情况,然后再合理地设置室内的配电分支回路。
活动1:调查家庭用电需求
小明先设计了用电器调查细目表,并以房间为单位,对客厅、阳台、主卧、次卧1、次卧2、厨房、卫生间内的家电分别进行了统计。对阳台的统计如下。
阳台用电器调查细目表
|家用电器|供电方式|功率/W|数量|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|滚筒洗衣机|插座|300|1|
|电动晾衣架|接入|
|1|
|照明灯|接入|10|1|
|热水器|插座|低温挡1500,高温挡2500|1|
将所有房间的用电器最大总功率汇总,得到家里的用电需求。
活动2:合理规划配电分支回路
小明设计了两个分支回路方案,一是以每个房间为一个分支回路,另一个是分设插座分支回路、照明分支回路和大功率用电器(如空调)分支回路等。
他在爸爸的陪同下,观察了邻居家的室内配电箱,发现该配电箱是按照自己设计的第二个方案进行规划的,且共有7个分支回路。
小明决定采用第二个方案,继续完成家里的分支回路设计。第1步,他画出了各个分支回路的设计示意图,如某插座分支回路设计示意图如下。
第2步,小明根据每个分支回路的用电器数量,对该分支回路所需要的漏电保护器(或空气开关)和导线规格进行了确定。分析表格如下。
|分支回路|用电器及数量|总功率|漏电保护器(空气开关)的规格|导线的型号|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|照明分支电路1|节能灯12盏| | | |
|照明分支电路2|厨房灯1盏,卫生间灯3盏……| | | |
|插座分支电路1|洗衣机1台,电冰箱1台,电脑1台,电视机1台,电动晾衣架1台……| | | |
|插座分支电路2|厨房插座、卫生间插座| | | |
|插座分支电路3|热水器1台| | | |
|空调分支电路1|挂机2台| | | |
|空调分支电路2|柜机1台| | | |
|说明|1.漏电保护器的选用:额定电流约为分支回路最大总电流的1.5倍;应选择漏电电流为30 mA的高灵敏度型漏电保护器。
2.空气开关的选用:空气开关额定电流应不小于负载电流。
3.导线的选用:查阅常用导线载流量与负载功率对照表。
照明电路和插座电路选用不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的导线,厨房和卫生间选用不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的导线;挂机空调选用不小于$2.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线;柜机空调选用不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线。| | | |
活动3:展示交流
1.完成设计方案后,各小组之间进行展示与交流,可互检方案的可行性与安全性。
2.通过对这个项目的研究,请你谈谈对家庭电路的认识,以及对安全用电的体会。
例如,小明通过调查和学习,和大家分享“家庭电路怎样走线最好”:
(1)家庭电路尽量避免绕床走线;
(2)空调布线与照明走线分开;
(3)尽量在绝缘管内走线,不要为了节约而裸布走线,因为这样维修不方便;
(4)用多根绝缘管,强电、弱电线路分开;
(5)绝缘管内,预布备用线路;
(6)墙壁走线要水平、垂直,不要拉斜线,因为若干年后忘了走线位置,打孔可能会打到电线上。
家里正在准备进行装修改造,刚学过生活用电这一章的小明给爸爸提建议:要根据家里的用电需求提前做好规划,以保证家庭电路安全、合理。爸爸同意小明的建议,鼓励他先做一个家庭电路的设计。
为使家庭电路安全、合理、方便、经济,小明认为,应该从已有和拟购置的电器出发,先估计家中总体的用电器情况,然后再合理地设置室内的配电分支回路。
活动1:调查家庭用电需求
小明先设计了用电器调查细目表,并以房间为单位,对客厅、阳台、主卧、次卧1、次卧2、厨房、卫生间内的家电分别进行了统计。对阳台的统计如下。
阳台用电器调查细目表
|家用电器|供电方式|功率/W|数量|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|滚筒洗衣机|插座|300|1|
|电动晾衣架|接入|
|1||照明灯|接入|10|1|
|热水器|插座|低温挡1500,高温挡2500|1|
将所有房间的用电器最大总功率汇总,得到家里的用电需求。
活动2:合理规划配电分支回路
小明设计了两个分支回路方案,一是以每个房间为一个分支回路,另一个是分设插座分支回路、照明分支回路和大功率用电器(如空调)分支回路等。
他在爸爸的陪同下,观察了邻居家的室内配电箱,发现该配电箱是按照自己设计的第二个方案进行规划的,且共有7个分支回路。
小明决定采用第二个方案,继续完成家里的分支回路设计。第1步,他画出了各个分支回路的设计示意图,如某插座分支回路设计示意图如下。
第2步,小明根据每个分支回路的用电器数量,对该分支回路所需要的漏电保护器(或空气开关)和导线规格进行了确定。分析表格如下。
|分支回路|用电器及数量|总功率|漏电保护器(空气开关)的规格|导线的型号|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|照明分支电路1|节能灯12盏| | | |
|照明分支电路2|厨房灯1盏,卫生间灯3盏……| | | |
|插座分支电路1|洗衣机1台,电冰箱1台,电脑1台,电视机1台,电动晾衣架1台……| | | |
|插座分支电路2|厨房插座、卫生间插座| | | |
|插座分支电路3|热水器1台| | | |
|空调分支电路1|挂机2台| | | |
|空调分支电路2|柜机1台| | | |
|说明|1.漏电保护器的选用:额定电流约为分支回路最大总电流的1.5倍;应选择漏电电流为30 mA的高灵敏度型漏电保护器。
2.空气开关的选用:空气开关额定电流应不小于负载电流。
3.导线的选用:查阅常用导线载流量与负载功率对照表。
照明电路和插座电路选用不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的导线,厨房和卫生间选用不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的导线;挂机空调选用不小于$2.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线;柜机空调选用不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线。| | | |
活动3:展示交流
1.完成设计方案后,各小组之间进行展示与交流,可互检方案的可行性与安全性。
2.通过对这个项目的研究,请你谈谈对家庭电路的认识,以及对安全用电的体会。
例如,小明通过调查和学习,和大家分享“家庭电路怎样走线最好”:
(1)家庭电路尽量避免绕床走线;
(2)空调布线与照明走线分开;
(3)尽量在绝缘管内走线,不要为了节约而裸布走线,因为这样维修不方便;
(4)用多根绝缘管,强电、弱电线路分开;
(5)绝缘管内,预布备用线路;
(6)墙壁走线要水平、垂直,不要拉斜线,因为若干年后忘了走线位置,打孔可能会打到电线上。
答案
解：
1. 各分支回路参数计算（家庭电路额定电压U=220V）：
|分支回路|用电器及数量|总功率|漏电保护器(空气开关)的规格|导线的型号|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|照明分支电路1|节能灯12盏|约120W|额定电流10A的空气开关|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|照明分支电路2|厨房灯1盏,卫生间灯3盏……|约150W|额定电流10A的空气开关|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路1|洗衣机1台,电冰箱1台,电脑1台,电视机1台,电动晾衣架1台……|约850W|额定电流10A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路2|厨房插座、卫生间插座|约5500W|额定电流32A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路3|热水器1台|2500W|额定电流20A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$2.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|空调分支电路1|挂机2台|约2400W|额定电流16A的空气开关|不小于$2.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|空调分支电路2|柜机1台|约3000W|额定电流20A的空气开关|不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
2. 对家庭电路的认识与安全用电体会：
家庭电路采用分回路设计，将照明、普通插座、大功率电器、空调等不同负载分开布线，各自匹配对应额定电流的保护开关和合适线径的导线，能够避免单回路过载，故障时互不影响，提升用电安全性和检修便利性。布线时强弱电分离、穿绝缘管铺设、走线横平竖直、预留备用线路，既可以降低漏电干扰风险，也能避免后续装修打孔误伤线路。日常用电时需注意不同回路的负载上限，不要在同一回路同时接入多个大功率用电器，定期检查线路和保护开关的老化情况，从设计和使用两方面共同保障用电安全。
1. 各分支回路参数计算（家庭电路额定电压U=220V）：
|分支回路|用电器及数量|总功率|漏电保护器(空气开关)的规格|导线的型号|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|照明分支电路1|节能灯12盏|约120W|额定电流10A的空气开关|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|照明分支电路2|厨房灯1盏,卫生间灯3盏……|约150W|额定电流10A的空气开关|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路1|洗衣机1台,电冰箱1台,电脑1台,电视机1台,电动晾衣架1台……|约850W|额定电流10A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路2|厨房插座、卫生间插座|约5500W|额定电流32A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路3|热水器1台|2500W|额定电流20A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$2.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|空调分支电路1|挂机2台|约2400W|额定电流16A的空气开关|不小于$2.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|空调分支电路2|柜机1台|约3000W|额定电流20A的空气开关|不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
2. 对家庭电路的认识与安全用电体会：
家庭电路采用分回路设计，将照明、普通插座、大功率电器、空调等不同负载分开布线，各自匹配对应额定电流的保护开关和合适线径的导线，能够避免单回路过载，故障时互不影响，提升用电安全性和检修便利性。布线时强弱电分离、穿绝缘管铺设、走线横平竖直、预留备用线路，既可以降低漏电干扰风险，也能避免后续装修打孔误伤线路。日常用电时需注意不同回路的负载上限，不要在同一回路同时接入多个大功率用电器，定期检查线路和保护开关的老化情况，从设计和使用两方面共同保障用电安全。
解析
【分析】
本题为家庭电路设计的跨学科实践题，解题思路如下：①明确家庭电路额定电压为220V，这是电流计算的基础；②遵循“分回路布线、不同负载分开”的原则，对每个分支回路依次计算总功率、总电流；③根据要求选择保护装置（漏电保护器额定电流为最大电流的1.5倍，空气开关额定电流不小于负载电流）；④根据用电器类型匹配对应规格的导线；⑤结合设计方案总结家庭电路特点与安全用电体会。
【解析】
家庭电路额定电压U=220V，按分支回路逐一计算：
1. 照明分支电路1：12盏节能灯总功率约120W，总电流I=P/U=120W/220V≈0.55A，选额定电流10A的空气开关，导线用不小于1.5mm²的铜芯导线；
2. 照明分支电路2：总功率约150W，总电流≈0.68A，选额定电流10A的空气开关，导线用不小于1.5mm²的铜芯导线；
3. 插座分支电路1：总功率约850W，总电流≈3.86A，选额定电流10A、漏电电流30mA的高灵敏度型漏电保护器，导线用不小于1.5mm²的铜芯导线；
4. 插座分支电路2：总功率约5500W，总电流=5500W/220V=25A，额定电流需≥25A，选额定电流32A、漏电电流30mA的高灵敏度型漏电保护器，导线用不小于4mm²的铜芯导线；
5. 插座分支电路3：热水器高温挡功率2500W，总电流≈11.36A，选额定电流20A、漏电电流30mA的高灵敏度型漏电保护器，导线用不小于2.5mm²的铜芯导线；
6. 空调分支电路1：2台挂机总功率约2400W，总电流≈10.9A，选额定电流16A的空气开关，导线用不小于2.5mm²的铜芯导线；
7. 空调分支电路2：柜机功率3000W，总电流≈13.6A，选额定电流20A的空气开关，导线用不小于4mm²的铜芯导线；
对家庭电路的认识与安全用电体会：家庭电路采用分回路设计，将照明、普通插座、大功率电器、空调等分开布线，可避免单回路过载，故障互不影响，提升安全性与检修便利性；布线时强弱电分离、穿绝缘管、横平竖直、预留备用线路，能降低漏电干扰、避免后续打孔误伤线路；日常需注意不同回路负载上限，不接入过多大功率电器，定期检查线路与开关老化情况，从设计和使用两方面保障安全。
【答案】
1. 各分支回路参数如下：
|分支回路|用电器及数量|总功率|漏电保护器(空气开关)的规格|导线的型号|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|照明分支电路1|节能灯12盏|约120W|额定电流10A的空气开关|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|照明分支电路2|厨房灯1盏,卫生间灯3盏……|约150W|额定电流10A的空气开关|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路1|洗衣机1台,电冰箱1台,电脑1台,电视机1台,电动晾衣架1台……|约850W|额定电流10A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路2|厨房插座、卫生间插座|约5500W|额定电流32A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路3|热水器1台|2500W|额定电流20A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$2.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|空调分支电路1|挂机2台|约2400W|额定电流16A的空气开关|不小于$2.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|空调分支电路2|柜机1台|约3000W|额定电流20A的空气开关|不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
2. 对家庭电路的认识与安全用电体会：家庭电路采用分回路设计，将照明、普通插座、大功率电器、空调等不同负载分开布线，各自匹配对应额定电流的保护开关和合适线径的导线，能够避免单回路过载，故障时互不影响，提升用电安全性和检修便利性。布线时强弱电分离、穿绝缘管铺设、走线横平竖直、预留备用线路，既可以降低漏电干扰风险，也能避免后续装修打孔误伤线路。日常用电时需注意不同回路的负载上限，不要在同一回路同时接入多个大功率用电器，定期检查线路和保护开关的老化情况，从设计和使用两方面共同保障用电安全。
【知识点】
家庭电路设计、电功率计算、安全用电
【点评】
本题为跨学科实践题，紧密结合生活用电实际，考察学生对家庭电路规划、保护装置及导线选择的掌握，引导学生将物理知识应用于家庭装修，培养安全用电意识和实践能力。
【难度系数】
0.5
本题为家庭电路设计的跨学科实践题，解题思路如下：①明确家庭电路额定电压为220V，这是电流计算的基础；②遵循“分回路布线、不同负载分开”的原则，对每个分支回路依次计算总功率、总电流；③根据要求选择保护装置（漏电保护器额定电流为最大电流的1.5倍，空气开关额定电流不小于负载电流）；④根据用电器类型匹配对应规格的导线；⑤结合设计方案总结家庭电路特点与安全用电体会。
【解析】
家庭电路额定电压U=220V，按分支回路逐一计算：
1. 照明分支电路1：12盏节能灯总功率约120W，总电流I=P/U=120W/220V≈0.55A，选额定电流10A的空气开关，导线用不小于1.5mm²的铜芯导线；
2. 照明分支电路2：总功率约150W，总电流≈0.68A，选额定电流10A的空气开关，导线用不小于1.5mm²的铜芯导线；
3. 插座分支电路1：总功率约850W，总电流≈3.86A，选额定电流10A、漏电电流30mA的高灵敏度型漏电保护器，导线用不小于1.5mm²的铜芯导线；
4. 插座分支电路2：总功率约5500W，总电流=5500W/220V=25A，额定电流需≥25A，选额定电流32A、漏电电流30mA的高灵敏度型漏电保护器，导线用不小于4mm²的铜芯导线；
5. 插座分支电路3：热水器高温挡功率2500W，总电流≈11.36A，选额定电流20A、漏电电流30mA的高灵敏度型漏电保护器，导线用不小于2.5mm²的铜芯导线；
6. 空调分支电路1：2台挂机总功率约2400W，总电流≈10.9A，选额定电流16A的空气开关，导线用不小于2.5mm²的铜芯导线；
7. 空调分支电路2：柜机功率3000W，总电流≈13.6A，选额定电流20A的空气开关，导线用不小于4mm²的铜芯导线；
对家庭电路的认识与安全用电体会：家庭电路采用分回路设计，将照明、普通插座、大功率电器、空调等分开布线，可避免单回路过载，故障互不影响，提升安全性与检修便利性；布线时强弱电分离、穿绝缘管、横平竖直、预留备用线路，能降低漏电干扰、避免后续打孔误伤线路；日常需注意不同回路负载上限，不接入过多大功率电器，定期检查线路与开关老化情况，从设计和使用两方面保障安全。
【答案】
1. 各分支回路参数如下：
|分支回路|用电器及数量|总功率|漏电保护器(空气开关)的规格|导线的型号|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|照明分支电路1|节能灯12盏|约120W|额定电流10A的空气开关|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|照明分支电路2|厨房灯1盏,卫生间灯3盏……|约150W|额定电流10A的空气开关|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路1|洗衣机1台,电冰箱1台,电脑1台,电视机1台,电动晾衣架1台……|约850W|额定电流10A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$1.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路2|厨房插座、卫生间插座|约5500W|额定电流32A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|插座分支电路3|热水器1台|2500W|额定电流20A、漏电电流30 mA的高灵敏度型漏电保护器|不小于$2.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|空调分支电路1|挂机2台|约2400W|额定电流16A的空气开关|不小于$2.5\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
|空调分支电路2|柜机1台|约3000W|额定电流20A的空气开关|不小于$4\ \mathrm{mm}^2$的铜芯导线|
2. 对家庭电路的认识与安全用电体会：家庭电路采用分回路设计，将照明、普通插座、大功率电器、空调等不同负载分开布线，各自匹配对应额定电流的保护开关和合适线径的导线，能够避免单回路过载，故障时互不影响，提升用电安全性和检修便利性。布线时强弱电分离、穿绝缘管铺设、走线横平竖直、预留备用线路，既可以降低漏电干扰风险，也能避免后续装修打孔误伤线路。日常用电时需注意不同回路的负载上限，不要在同一回路同时接入多个大功率用电器，定期检查线路和保护开关的老化情况，从设计和使用两方面共同保障用电安全。
【知识点】
家庭电路设计、电功率计算、安全用电
【点评】
本题为跨学科实践题，紧密结合生活用电实际，考察学生对家庭电路规划、保护装置及导线选择的掌握，引导学生将物理知识应用于家庭装修，培养安全用电意识和实践能力。
【难度系数】
0.5
