新課標降低了“了解串、并聯電路電壓和電流的特性”的內容,雖屬“了解”水平,但要求愈發明晰.了解串聯分壓、并聯分流的作用,可以為熱學后續內容的學習奠定基礎.同時本內容屬于熱學的基礎知識,高考中常常涉及,我們必須學好它,就能解決熱學有關估算等較復雜的問題.
一、串、并聯電路中的電壓特性
1.探究串聯電路中的電壓
把用家電挨個順次聯接上去組成的電路叫串聯電路.它的基本特點是整個電路只有一條回路,沒有“分支點”.電壓的方向是,電壓從電源的負極流出,通過用家電流回電源的正極.這么在串聯電路中各處的電壓大小有如何的關系呢?請朋友們推測:
(1)串聯電路中電流通過用家電后可能越來越小;
(2)串聯電路中電流通過用家電后可能越來越大;
(3)串聯電路中電流大小通過用家電后可能不變.
怎樣設計和進行實驗驗證呢?
(1)按圖1所示的電路圖聯接好電路.若測A處電壓就把該處接線斷掉,把電壓表串連接入A處,選擇合適的阻值,使電壓從“+”接線柱流入,從“-”接線柱流出.閉合開關S,測出A處的電壓為IA.之后用同樣的方式測出B、C處的電壓分別為IB、IC,并把測得的數據記錄在表中學.
表一
(2)換上不同尺寸的小燈泡或改變電源電流,起碼檢測3組數據.若實驗次數太少,得出的推論具有碰巧性.
依據測得的多組實驗數據剖析,即可得出串聯電路中的電壓特性:串聯電路中電流處處相等.表達式為:IA=IB=IC(或I1=I2,I1、I2分別表示為通過燈泡L1、L2的電壓).
2.探究并聯電路中的電壓
把用家電并列地聯接在電路的兩點間所組成的電路叫并聯電路.它的基本特點是由兩條及以上大道組成,有“分支點”.每條環路都和支路產生回路,有幾條環路,就有幾條回路.這么在并聯電路中各處的電壓大小又有如何的關系呢?請朋友們再猜測:
(1)支路上的電壓與各大道上的電壓可能相等;
(2)支路上的電壓可能等于各大道上的電壓之和.
怎樣設計和進行實驗驗證呢?
(1)按圖2所示電路聯接好電路.在電路中的A、B、C處先后串連接入電壓表,選擇合適的阻值,測出各處的電壓大小分別為IA、IB、IC,并把測得的數據記錄在表格中(設計實驗記錄表格同表一,略).
(2)換上不同尺寸的小燈泡或改變電源電流,再檢測幾組數據.
依據測得的多組實驗數據剖析,即可得出并聯電路中的電壓特性:支路中的電壓等于各大道中的電壓之和.表達式為:IA
=IB+IC(或I=I1+I2).
二、串、并聯電路中的電流特性
1.探究串聯電路中的電流
串聯電路兩端的總電流和各用家電兩端的電流之間有哪些關系呢?我們把電流類比為水壓(水位差),推測:串聯電路兩端的總電流可能等于各用家電兩端的電流之和.
怎樣設計和進行實驗驗證呢?
(1)按圖3所示的電路圖聯接好電路.先將電流表并聯在L1的兩端(即聯接在A、B兩點間),選擇合適的阻值,注意電流表“+”“-”接線柱接法正確.閉合開關S,測出L1兩端的電流為U1.之后用同樣的方式測出L2兩端的電流為U2和A、C兩點間的電流為U,并將測得的數據記錄在表一中.
表二
(2)換上不同尺寸的燈泡或改變電源電流,再測幾組數據.
剖析測得的實驗數據電路串聯和并聯的公式,即可得出串聯電路中的電流特性:串聯電路兩端的總電流等于各用家電兩端的電流之和.表達式為:U=U1+U2.
2.探究并聯電路中的電流
在并聯電路中,各大道兩端的電流跟總電流之間有哪些關系呢?推測:并聯電路兩端的總電流可能跟各大道兩端的電流相等.
怎樣設計和進行實驗驗證呢?
(1)按圖4所示的電路圖聯接好電路.先將電流表并聯在L1的兩端,測出L1兩端的電流U1.之后用同樣的方式測出L2兩端的電流U2和A、B兩點間的電流U,并將測得的數據記錄在表格中(設計實驗記錄表格基本同表二,略).
(2)換上不同尺寸的燈泡或改變電源電流,再測幾組數據.
剖析測得的實驗數據,即可得出并聯電路中的電流特性:并聯電路兩端的總電流和各大道兩端的電流相等.表達式為:U=U1=U2.
三、串聯分壓與并聯分流特征
1.串聯電路的分壓作用
如圖5所示,內阻R1和R2串聯,設電路中的電壓為I,R1兩端的電流為U1,R2兩端的電流為U2,串聯電路兩端的總電流為U.
由于串聯電路中電流處處相等,故通過R1和R2的電壓相同,都為I.由歐姆定理得I=■=■,故■=■,這個公式稱為分壓公式.即在串聯電路中,各個內阻分配的電流跟它們的電阻成反比.此規律也可以通過實驗探究獲得.
例1一只小燈泡的額定電流為8V,正常發光時的內阻為20Ω,現將該小燈泡接在12V的電源上,為使其正常發光,應
聯一個Ω的內阻.
剖析小燈泡的額定電流為8V,而電源電流為12V,低于小燈泡正常工作時的電流,故不能直接接到電源上.我們應當想到串聯電路具有分壓作用,用一個內阻和小燈泡串聯,分擔多余的電流,就可以保證小燈泡正常工作.串聯一個電阻多大的內阻呢?直接借助分壓公式進行估算,也可以借助歐姆定理和串聯電路電壓電流特性進行估算.
解答方式一:應串聯一個內阻R,它應分擔的電流為UR=U-UL=12V-8V=4V,
借助分壓公式,得:■=■,
故R=■RL=■×20Ω=10Ω.
方式二:小燈泡的額定電流UL=8V,串聯內阻分擔的電流為UR=U-UL=12V-8V=4V,小燈泡正常發光時的電壓是I=■=■
=0.4A,而串聯電路中通過每位用家電的電壓相等,故應串聯一個電阻為R=■=■=10Ω的內阻.
2.并聯電路的分流作用
如圖6所示,內阻R1和R2并聯在電流為U的電路中,設通過R1大道的電壓為I1,通過R2大道的電壓為I2.
由于并聯電路中總電流和各大道兩端的電流相等,故U=U1=U2.由歐姆定理得I1R1=I2R2,故■=■,這個公式稱為分流公式.即并聯電路大道中的電壓跟它們的電阻成正比.此規律同樣可以通過實驗探究獲得.
例2一只阻值為500mA的電壓表表頭,它的電阻只有0.2Ω,若要把它的阻值擴大為3A,該如何做?
剖析電壓表表頭的阻值和電阻通常都很小,直接使用只能檢測較小的電壓.若要檢測較大的電壓,必須將表頭和一個內阻并聯.我們曉得,并聯電路有分流作用,通過與一個內阻并聯,可以分走多余的電壓,進而確保電壓表表頭的安全.我們使用的雙阻值電壓表,就是將同一個表頭和不同的阻值并聯,進而擴大為不同的阻值.
解答將電壓表表頭和一個內阻R2并聯,內阻R2需分走的電壓I2=I-I1=3A
-0.5A=2.5A電路串聯和并聯的公式,故并聯一個內阻R2的大小為:R2=■R1=■×0.2Ω=0.04Ω.