串并联电路中的电流与电压

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  新课标增加了“了解串、并联电路电流和电压的特点”的内容,虽属“了解”水平,但要求更加明确.了解串联分压、并联分流的作用,可以为电学后续内容的学习奠定基础.同时本内容属于电学的基础知识,中考中经常涉及,我们必须学好它,才能解决电学有关计算等较复杂的问题.
  一、串、并联电路中的电流特点
  1.探究串联电路中的电流
  把用电器逐个顺次连接起来组成的电路叫串联电路.它的基本特征是整个电路只有一条回路,没有“分支点”.电流的方向是,电流从电源的正极流出,通过用电器流回电源的负极.那么在串联电路中各处的电流大小有怎样的关系呢?请同学们猜想:
  (1)串联电路中电流通过用电器后可能越来越小;
  (2)串联电路中电流通过用电器后可能越来越大;
  (3)串联电路中电流大小通过用电器后可能不变.
  如何设计和进行实验验证呢?
  (1)按图1所示的电路图连接好电路.若测A处电流就把该处接线断开,把电流表串联接入A处,选择合适的量程,使电流从“+”接线柱流入,从“-”接线柱流出.闭合开关S,测出A处的电流为IA.然后用同样的方法测出B、C处的电流分别为IB、IC,并把测得的数据记录在表一中.
  表一
  (2)换上不同规格的小灯泡或改变电源电压,至少测量3组数据.若实验次数太少,得出的结论具有偶然性.
  根据测得的多组实验数据分析,即可得出串联电路中的电流特点: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的电流).
  2.探究并联电路中的电流
  把用电器并列地连接在电路的两点间所组成的电路叫并联电路.它的基本特征是由两条及以上支路组成,有“分支点”.每条支路都和干路形成回路,有几条支路,就有几条回路.那么在并联电路中各处的电流大小又有怎样的关系呢?请同学们再猜想:
  (1)干路上的电流与各支路上的电流可能相等;
  (2)干路上的电流可能等于各支路上的电流之和.
  如何设计和进行实验验证呢?
  (1)按图2所示电路连接好电路.在电路中的A、B、C处先后串联接入电流表,选择合适的量程,测出各处的电流大小分别为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)换上不同规格的小灯泡或改变电源电压,再测量几组数据.
  根据测得的多组实验数据分析,即可得出并联电路中的电流特点:干路中的电流等于各支路中的电流之和.表达式为:IA
  =IB+IC(或I=I1+I2).
  二、串、并联电路中的电压特点
  1.探究串联电路中的电压
  串联电路两端的总电压和各用电器两端的电压之间有什么关系呢?我们把电压类比为水压(水位差),猜想:串联电路两端的总电压可能等于各用电器两端的电压之和.
  如何设计和进行实验验证呢?
  (1)按图3所示的电路图连接好电路.先将电压表并联在L1的两端(即连接在A、B两点间),选择合适的量程,注意电压表“+”“-”接线柱接法正确.闭合开关S,测出L1两端的电压为U1.然后用同样的方法测出L2两端的电压为U2和A、C两点间的电压为U,并将测得的数据记录在表二中.
  表二
  (2)换上不同规格的灯泡或改变电源电压,再测几组数据.
  分析测得的实验数据,即可得出串联电路中的电压特点:串联电路两端的总电压等于各用电器两端的电压之和.表达式为:U=U1+U2.
  2.探究并联电路中的电压
  在并联电路中,各支路两端的电压跟总电压之间有什么关系呢?猜想:并联电路两端的总电压可能跟各支路两端的电压相等.
  如何设计和进行实验验证呢?
  (1)按图4所示的电路图连接好电路.先将电压表并联在L1的两端,测出L1两端的电压U1.然后用同样的方法测出L2两端的电压U2和A、B两点间的电压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)换上不同规格的灯泡或改变电源电压,再测几组数据.
  分析测得的实验数据,即可得出并联电路中的电压特点:并联电路两端的总电压和各支路两端的电压相等.表达式为:U=U1=U2.
  三、串联分压与并联分流特点
  1.串联电路的分压作用
  如图5所示,电阻R1和R2串联,设电路中的电流为I,R1两端的电压为U1,R2两端的电压为U2,串联电路两端的总电压为U.
  因为串联电路中电流处处相等,故通过R1和R2的电流相同,都为I.由欧姆定律得I=■=■,故■=■,这个公式称为分压公式.即在串联电路中,各个电阻分配的电压跟它们的阻值成正比.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压为8V,正常发光时的电阻为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的电阻.
  分析 小灯泡的额定电压为8V,而电源电压为12V,高于小灯泡正常工作时的电压,故不能直接接到电源上.我们应该想到串联电路具有分压作用,用一个电阻和小灯泡串联,分担多余的电压,就可以保证小灯泡正常工作.串联一个阻值多大的电阻呢?直接利用分压公式进行计算,也可以利用欧姆定律和串联电路电流电压特点进行计算.
  解答 方法一:应串联一个电阻R,它应分担的电压为UR=U-UL=12V-8V=4V,
  利用分压公式,得:■=■,
  故R=■RL=■×20Ω=10Ω.
  方法二:小灯泡的额定电压UL=8V,串联电阻分担的电压为UR=U-UL=12V-8V=4V,小灯泡正常发光时的电流是I=■=■
  =0.4A,而串联电路中通过每个用电器的电流相等,故应串联一个阻值为R=■=■=10Ω的电阻.
  2.并联电路的分流作用
  如图6所示,电阻R1和R2并联在电压为U的电路中,设通过R1支路的电流为I1,通过R2支路的电流为I2.
  因为并联电路中总电压和各支路两端的电压相等,故U=U1=U2.由欧姆定律得I1R1=I2R2,故■=■,这个公式称为分流公式.即并联电路支路中的电流跟它们的阻值成反比.此规律同样可以通过实验探究获得.
  例2 一只量程为500mA的电流表表头,它的内阻只有0.2Ω,若要把它的量程扩大为3A,该怎样做?
  分析 电流表表头的量程和内阻一般都很小,直接使用只能测量较小的电流.若要测量较大的电流,必须将表头和一个电阻并联.我们知道,并联电路有分流作用,通过与一个电阻并联,可以分走多余的电流,从而确保电流表表头的安全.我们使用的双量程电流表,就是将同一个表头和不同的电阻并联,从而扩大为不同的量程.
  解答 将电流表表头和一个电阻R2并联,电阻R2需分走的电流I2=I-I1=3A
  -0.5A=2.5A,故并联一个电阻R2的大小为:R2=■R1=■×0.2Ω=0.04Ω.
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