新课标降低了“了解串、并联电路电压和电流的特性”的内容,虽属“了解”水平,但要求愈发明晰.了解串联分压、并联分流的作用,可以为热学后续内容的学习奠定基础.同时本内容属于热学的基础知识,高考中常常涉及,我们必须学好它,就能解决热学有关估算等较复杂的问题.
一、串、并联电路中的电压特性
1.探究串联电路中的电压
把用家电挨个顺次联接上去组成的电路叫串联电路.它的基本特点是整个电路只有一条回路,没有“分支点”.电压的方向是,电压从电源的负极流出,通过用家电流回电源的正极.这么在串联电路中各处的电压大小有如何的关系呢?请朋友们推测:
(1)串联电路中电流通过用家电后可能越来越小;
(2)串联电路中电流通过用家电后可能越来越大;
(3)串联电路中电流大小通过用家电后可能不变.
怎样设计和进行实验验证呢?
(1)按图1所示的电路图联接好电路.若测A处电压就把该处接线断掉,把电压表串连接入A处,选择合适的阻值,使电压从“+”接线柱流入,从“-”接线柱流出.闭合开关S,测出A处的电压为IA.之后用同样的方式测出B、C处的电压分别为IB、IC,并把测得的数据记录在表中学.
表一
(2)换上不同尺寸的小灯泡或改变电源电流,起码检测3组数据.若实验次数太少,得出的推论具有碰巧性.
依据测得的多组实验数据剖析,即可得出串联电路中的电压特性:串联电路中电流处处相等.表达式为:IA=IB=IC(或I1=I2,I1、I2分别表示为通过灯泡L1、L2的电压).
2.探究并联电路中的电压
把用家电并列地联接在电路的两点间所组成的电路叫并联电路.它的基本特点是由两条及以上大道组成,有“分支点”.每条环路都和支路产生回路,有几条环路,就有几条回路.这么在并联电路中各处的电压大小又有如何的关系呢?请朋友们再猜测:
(1)支路上的电压与各大道上的电压可能相等;
(2)支路上的电压可能等于各大道上的电压之和.
怎样设计和进行实验验证呢?
(1)按图2所示电路联接好电路.在电路中的A、B、C处先后串连接入电压表,选择合适的阻值,测出各处的电压大小分别为IA、IB、IC,并把测得的数据记录在表格中(设计实验记录表格同表一,略).
(2)换上不同尺寸的小灯泡或改变电源电流,再检测几组数据.
依据测得的多组实验数据剖析,即可得出并联电路中的电压特性:支路中的电压等于各大道中的电压之和.表达式为:IA
=IB+IC(或I=I1+I2).
二、串、并联电路中的电流特性
1.探究串联电路中的电流
串联电路两端的总电流和各用家电两端的电流之间有哪些关系呢?我们把电流类比为水压(水位差),推测:串联电路两端的总电流可能等于各用家电两端的电流之和.
怎样设计和进行实验验证呢?
(1)按图3所示的电路图联接好电路.先将电流表并联在L1的两端(即联接在A、B两点间),选择合适的阻值,注意电流表“+”“-”接线柱接法正确.闭合开关S,测出L1两端的电流为U1.之后用同样的方式测出L2两端的电流为U2和A、C两点间的电流为U,并将测得的数据记录在表一中.
表二
(2)换上不同尺寸的灯泡或改变电源电流,再测几组数据.
剖析测得的实验数据电路串联和并联的公式,即可得出串联电路中的电流特性:串联电路两端的总电流等于各用家电两端的电流之和.表达式为:U=U1+U2.
2.探究并联电路中的电流
在并联电路中,各大道两端的电流跟总电流之间有哪些关系呢?推测:并联电路两端的总电流可能跟各大道两端的电流相等.
怎样设计和进行实验验证呢?
(1)按图4所示的电路图联接好电路.先将电流表并联在L1的两端,测出L1两端的电流U1.之后用同样的方式测出L2两端的电流U2和A、B两点间的电流U,并将测得的数据记录在表格中(设计实验记录表格基本同表二,略).
(2)换上不同尺寸的灯泡或改变电源电流,再测几组数据.
剖析测得的实验数据,即可得出并联电路中的电流特性:并联电路两端的总电流和各大道两端的电流相等.表达式为:U=U1=U2.
三、串联分压与并联分流特征
1.串联电路的分压作用
如图5所示,内阻R1和R2串联,设电路中的电压为I,R1两端的电流为U1,R2两端的电流为U2,串联电路两端的总电流为U.
由于串联电路中电流处处相等,故通过R1和R2的电压相同,都为I.由欧姆定理得I=■=■,故■=■,这个公式称为分压公式.即在串联电路中,各个内阻分配的电流跟它们的电阻成反比.此规律也可以通过实验探究获得.
例1一只小灯泡的额定电流为8V,正常发光时的内阻为20Ω,现将该小灯泡接在12V的电源上,为使其正常发光,应
联一个Ω的内阻.
剖析小灯泡的额定电流为8V,而电源电流为12V,低于小灯泡正常工作时的电流,故不能直接接到电源上.我们应当想到串联电路具有分压作用,用一个内阻和小灯泡串联,分担多余的电流,就可以保证小灯泡正常工作.串联一个电阻多大的内阻呢?直接借助分压公式进行估算,也可以借助欧姆定理和串联电路电压电流特性进行估算.
解答方式一:应串联一个内阻R,它应分担的电流为UR=U-UL=12V-8V=4V,
借助分压公式,得:■=■,
故R=■RL=■×20Ω=10Ω.
方式二:小灯泡的额定电流UL=8V,串联内阻分担的电流为UR=U-UL=12V-8V=4V,小灯泡正常发光时的电压是I=■=■
=0.4A,而串联电路中通过每位用家电的电压相等,故应串联一个电阻为R=■=■=10Ω的内阻.
2.并联电路的分流作用
如图6所示,内阻R1和R2并联在电流为U的电路中,设通过R1大道的电压为I1,通过R2大道的电压为I2.
由于并联电路中总电流和各大道两端的电流相等,故U=U1=U2.由欧姆定理得I1R1=I2R2,故■=■,这个公式称为分流公式.即并联电路大道中的电压跟它们的电阻成正比.此规律同样可以通过实验探究获得.
例2一只阻值为500mA的电压表表头,它的电阻只有0.2Ω,若要把它的阻值扩大为3A,该如何做?
剖析电压表表头的阻值和电阻通常都很小,直接使用只能检测较小的电压.若要检测较大的电压,必须将表头和一个内阻并联.我们晓得,并联电路有分流作用,通过与一个内阻并联,可以分走多余的电压,进而确保电压表表头的安全.我们使用的双阻值电压表,就是将同一个表头和不同的阻值并联,进而扩大为不同的阻值.
解答将电压表表头和一个内阻R2并联,内阻R2需分走的电压I2=I-I1=3A
-0.5A=2.5A电路串联和并联的公式,故并联一个内阻R2的大小为:R2=■R1=■×0.2Ω=0.04Ω.