设计简单电路
智能批改
| 项目主题 | 任务一 设计病床呼叫系统模型 |
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| 项目情境 | 在医院住院部,病人需要护理时,闭合床头开关,就能及时通知值班室里的护士.这个呼叫电路应该怎么设计呢? |
| 项目过程 | 【实验要求】(1) 各病床呼叫时互不影响;(2) 不同病床呼叫时亮不同的灯,电铃每次都响;
(3) 能准确识别哪个病床在呼叫.
【实验器材】直流电源、小灯泡(3个,含灯座)、开关、导线、电铃等.
【思考设计】
(1) 设计呼叫电路时,下列因素中,不需要考虑的是.
A. 护士工作很忙,要用多种信号提醒 B. 能够确定呼叫发出的位置
C. 呼叫信号强弱合适 D. 值班室是否有护士值班
(2) 小李同学以一个病房只有一张病床为例,设计了如图甲所示的电路,该电路能不能达到呼叫目的? 答:(选填“能”或“不能”).

(3) 当一个病房有三张病床时,小杨同学设计的电路如图乙所示,电路的不足之处是.
(4) 小亮经过改进后,最终设计了能准确判断呼叫病床的电路,请画在图丙的虚线框中. |
| 项目主题 | 任务二 设计交通信号灯系统模型 |
| 项目情境 | 在城镇道路的许多路口都设置有交通信号灯,以保证行人的安全和车辆的有序通行.观察路口信号灯的位置、颜色、数量,设计一个交通信号灯模型,描述这些信号灯是如何指挥人行和车行的. |
| 项目过程 | 【实验要求】
(1) 东西南北各有一个红灯和一个绿灯;
(2) 南北方向绿灯亮时,红灯不亮,同时东西方向红灯亮、绿灯不亮;
(3) 南北方向红灯亮时,绿灯不亮,同时东西方向绿灯亮、红灯不亮.
【实验器材】电源、单刀双掷开关、小灯泡(4红4绿)、导线等. |
续表
| 项目主题 | 任务二 设计交通信号灯系统模型 |
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| 项目过程 | 【电路设计】小亮根据实验要求设计了如下的实验电路.

【交流评估】
(1) 当单刀双掷开关接“1”时,人行横道绿灯,红灯,车辆行驶方向红灯,绿灯,此时南北方向的行人可以通过马路,东西方向车辆等待红灯.
(2) 当单刀双掷开关接“2”时,人行横道红灯,绿灯,车辆行驶方向绿灯,红灯,此时南北方向的行人等待红灯,东西方向的车辆通行.
【改进提升】
(1) 实际生活中,用智能信号灯替代了传统的红绿灯,如图所示,司机等红灯时,在即将变为绿灯时的前9秒加入了倒计时功能,提升了交通安全系数. 已知$\mathrm{L}_{1}$为红灯,$\mathrm{L}_{2}$为数字灯,$\mathrm{S}$为智能控制开关. 下列图示关于智能信号灯的部分电路正确的是（）


(2) 某校校门外十字路口经常出现交通拥堵现象,为了缓解拥堵,物理老师为该十字路口设计了一组红绿灯如图所示,模拟交通信号灯电路的一部分.

① 当单刀多掷开关接“1”时,共有盏灯亮,它们之间是联的.
② 若正南方为学校的正大门方向,同学们不应该在单刀多掷开关接(选填“1”“2”或“3”)时通过前往学校的人行横道. |

【思考设计】
(1) D
(2) 能
(3) 能达到呼叫的目的,但不能准确判断床位
(4) 如图1所示
【交流评估】
(1) 亮 不亮 亮 不亮
(2) 亮 不亮 亮 不亮
【改进提升】
(1) D
(2) ① 四 并 ② 3
解析:【改进提升】(2) ① 由图可知,当单刀多掷开关接“1”时,北面的绿灯和西面的红灯并联接入电路,南面的绿灯和东面的红灯并联接入电路,而其余的灯处于断路状态或短路状态,所以,南北方向的两盏绿灯、东西方向的两盏红灯亮起,这四盏灯之间是并联的. ② 由于学校正大门在正南方,前往学校时南北方向的绿灯应亮起,此时单刀多掷开关接1,所以,当单刀多掷开关接3,即南北方向的红灯亮起时,不能通过前往学校的人行横道.

【分析】
我们可以分两个项目逐步拆解解题思路：
1. 病床呼叫系统部分：
① 第一小问：呼叫电路的设计目标是实现病人呼叫后通知护士，因此设计时需要考虑信号能有效提醒护士、能定位呼叫位置、信号强度合适，值班室有没有护士值班不属于电路设计需要考量的因素，可直接选出答案。
② 第二小问：单张病床的电路，闭合床头开关后，对应的指示灯亮起、电铃响起，完全可以实现呼叫通知护士的目的，因此可直接判断结果。
③ 第三小问：乙图的设计中，所有病床的指示灯没有区分标识，任意一个开关闭合，灯的亮灭状态没有差异，因此无法判断是哪个病床发起的呼叫。
④ 第四小问：要满足各病床互不影响、不同病床对应不同指示灯、电铃每次都响的要求，将每个开关和对应病床的指示灯串联作为独立支路，三个支路并联，电铃接在干路即可满足所有要求。
2. 交通信号灯系统部分：
① 交流评估部分：根据题目给出的开关接1、接2时的通行规则，对应判断各灯的亮灭状态即可。
② 改进提升第一小问：智能信号灯要求红灯L1全程常亮，倒计时的数字灯L2仅在红灯最后9秒工作，说明两个灯互不影响，属于并联，智能开关S只控制数字灯L2的支路，即可选出正确选项。
③ 改进提升第二小问：分析单刀多掷开关接不同档位时的电路通路情况，数出接入电路的灯的数量，根据并联电路各支路独立工作的特点判断连接方式，再结合校门在正南方向的通行要求，判断不能通行的档位。
【解析】
任务一 病床呼叫系统
(1) 呼叫电路的作用是病人发起呼叫后通知值班室护士，设计时需要考虑多信号提醒护士、准确定位呼叫床位、呼叫信号强弱合适，值班室是否有护士值班不属于电路设计需要考虑的要素，因此选D。
(2) 单病床的电路中，闭合床头开关后，电路导通，指示灯发光、电铃发声，可以通知护士有病人呼叫，因此能达到呼叫目的。
(3) 小杨设计的乙图电路，任意一个病床的开关闭合后，所有指示灯的亮灭状态没有差异，护士无法区分是哪个病床发起的呼叫，因此不足之处是能实现呼叫功能，但无法准确判断呼叫的床位。
(4) 设计逻辑：将3个开关分别和对应的不同指示灯串联组成3条独立支路，3条支路并联后整体与电铃、电源串联，电铃在干路，保证任意开关闭合时铃都响，且不同开关闭合对应不同的灯亮，满足所有实验要求。
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任务二 交通信号灯系统
交流评估
(1) 开关接“1”时，满足南北方向行人通行、东西方向车辆等待的要求，因此人行横道绿灯亮，红灯不亮，车辆行驶方向红灯亮，绿灯不亮。
(2) 开关接“2”时，满足南北方向行人等待、东西方向车辆通行的要求，因此人行横道红灯亮，绿灯不亮，车辆行驶方向绿灯亮，红灯不亮。
改进提升
(1) 智能信号灯要求红灯L1全程处于工作状态，数字倒计时灯L2仅在红灯即将变绿的前9秒工作，两灯工作互不影响，属于并联结构，智能控制开关S仅控制数字灯L2的通断，符合要求的是选项D。
(2) ① 单刀多掷开关接“1”时，南北方向的2盏绿灯、东西方向的2盏红灯接入电路，共4盏灯亮起，各灯两端电压都等于电源电压，工作互不影响，属于并联。
② 正南方是学校大门，同学们前往学校走南北向人行横道，只有南北向绿灯亮起时才能通行，开关接3时南北方向红灯亮起，此时不能通过人行横道。
【答案】
【思考设计】
(1) D
(2) 能
(3) 能达到呼叫的目的，但不能准确判断床位
(4) 三个开关分别与对应不同的指示灯串联为独立支路，三个支路并联后与干路的电铃、电源串联（对应题目给出的图1所示电路）
【交流评估】
(1) 亮 不亮 亮 不亮
(2) 亮 不亮 亮 不亮
【改进提升】
(1) D
(2) ① 四 并 ② 3
【知识点】
串并联电路设计，生活电路应用，电路通路判断
【点评】
本题以病床呼叫、交通信号灯两个真实生活场景为载体，考察串并联电路特点的实际应用，引导学生将课本电学知识和生活实际结合，解题时抓住“用电器互不影响优先选择并联结构”的核心设计思路，区分功能元件应该放在支路还是干路，就能顺利完成电路设计和判断。
【难度系数】
0.6