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初中物理·九年级全一册

  1. 01分子热运动、内能与比热容
  2. 02热机、热机效率与能量守恒
  3. 03电荷、电流与基本电路
  4. 04串并联电路与电流规律
  5. 05电压、电阻与变阻器
  6. 06电流与电压、电阻的关系及欧姆定律
  7. 07电阻测量与串并联电路应用
  8. 08电能、电功率与功率测量
  9. 09焦耳定律与电热综合
  10. 10家庭电路与安全用电
  11. 11磁场、电流的磁效应、电动机与发电机
  12. 12电磁波、能源与可持续发展
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课程物理初中物理·九年级全一册串并联电路与电流规律

第4章 串并联电路与电流规律

教室里有两盏灯。按下墙上的总开关,两盏灯一起亮;其中一盏坏了,另一盏通常还能亮。再看一串老式小彩灯,有时一只灯泡的灯丝断了,整串都熄灭。两种现象的差别不在灯泡数量,而在于电流有没有可以选择的路径。

上一章已经认识了电源、用电器、开关和导线,也知道闭合电路中才有持续电流。这一章要进一步解决四件事:怎样辨认并连接串联、并联电路,怎样用电流表测量电流,怎样从实验中发现串并联电流规律,以及遇到接错、断路或短路时怎样安全地判断原因。

先沿着电流可能走的路看电路

先不急着背定义。把自己想象成从电源正极出发的“电流小探员”,沿导线经过用电器,最后回到电源负极。如果从头到尾只有一条完整路径,各用电器首尾相接,这就是串联电路;如果途中出现分流点,电流可以分别经过不同用电器,再在另一处汇合,这就是并联电路。

串联单一路径与并联多路径的对照

人工复核提示:图下方两幅电路中的橙色箭头只用于标出连通路径,其方向与图示电源正、负极不一致,不能作为电流方向依据。按约定,电源外部的电流从正极流向负极。

观察上图时,先用手指沿导线走一遍,再回答两个问题:从正极回到负极有几条通路?拆去一只灯泡后,另一只灯泡所在的路还完整吗?这样判断比看灯泡“横着放还是竖着放”可靠得多。导线弯曲、元件远近、图画得像不像一条直线,都不能决定串并联。

串联电路中的开关控制整条电路。开关放在任何位置,只要断开,唯一的路径就被切断,所有用电器都停止工作。并联电路中,从分流点到汇合点之间的每一条电流路径叫支路,各支路共同经过的部分叫干路。干路开关控制所有支路;某支路上的开关只控制该支路。家里各房间的灯需要相对独立地工作,所以它们通常采用并联,而不是把所有灯串成一条路。

操作训练器时,不妨先预测,再点亮路径。特别留意交叉导线:交叉处画有实心点,通常表示导线相连,形成节点;没有连接点、只是从图面上交叉,通常表示彼此不相连。还要警惕“既非标准串联也非标准并联”的连接,例如一根导线绕过灯泡,可能造成短路,不能因为有两只灯就强行归类。

从电路图落到实验桌面

画电路图时,元件符号要规范,导线尽量横平竖直,元件分布清楚。连接实物时,最稳妥的方法不是“照着图形摆位置”,而是按电流路径逐段核对。例如串联两灯,可以从电源正极出发,依次检查“正极—开关—灯1—灯2—负极”;并联两灯则先找分流点,分别接好两条支路,再找汇合点接回电源。

连接前开关必须断开,这样即使某处接错,也不会立刻形成电流。接线完成后先沿路径检查:电源两极是否被导线直接相连,导线接头是否牢固,开关是否真正串在要控制的部分,支路两端是否接在同一对节点上。确认无误后再闭合开关,并在出现灯泡异常亮、导线发热或仪表指针猛偏时立即断开。

绝不能用导线把电源正、负极直接相连。这样的电路几乎没有用电器限制电流,可能产生很大的电流,使导线和电源发热、损坏。实验只使用教师提供的低压电源或电池,不用家庭电路做尝试。

实物图转电路图时也沿用“路径法”。先标出电源、开关、灯泡和仪表,再找节点。若两只灯的两端分别接在同一对节点上,它们就是并联;若电流必须依次通过两只灯,才是串联。最后用规范符号重新画,不必保留实物在桌面上的形状。

电流表不是“碰一碰就能测”

电流用字母 III 表示,单位是安培,简称安,符号是 A\mathrm AA。常用的较小单位还有毫安和微安:

1 A=1000 mA,1 mA=1000 μA.1\ \mathrm A=1000\ \mathrm{mA},\qquad 1\ \mathrm{mA}=1000\ \mathrm{\mu A}.1 A=1000 mA,1 mA=1000 μA.

电流表相当于一处“流量检查站”。使用前先看未通电时指针是否对准零刻线;若没有对准,应在教师指导下调节调零旋钮,使指针回零。要测通过某个用电器的电流,电流表必须与这个用电器串联,让待测电流从表内通过。常用学生电流表还有三个必须同时满足的要求:电流从“+”接线柱流入、从“-”接线柱流出;被测电流不能超过所选量程;严禁不经过用电器而把电流表直接接到电源两极。

电流表连接规则与错误连接警示

为什么电流表不能直接接电源?因为电流表对电流的阻碍很小,直接跨接在电源两极近似形成短路。为什么正负接线柱不能反接?反接时指针会向零刻度左侧偏转,不但无法正常读数,还可能撞弯指针。发现反偏,应先断开开关,再交换接线,不能带电拔接导线。

量程的选择遵循“先安全,后准确”。不能估计电流大小时,先试触较大量程:闭合开关的时间要短,观察指针是否超过最大刻度。如果指针偏转很小,在不超量程的前提下断开开关,改接较小量程,读数会更精细。换接线柱必须在断电状态下进行。

电流表共用表盘的双量程读数

读表不要只盯着指针。读数时应正对表盘,使视线与刻度面垂直,避免因斜看产生视差。接着先看接线柱,确定实际使用的是 0∼0.6 A0\sim0.6\ \mathrm A0∼0.6 A 还是 0∼3 A0\sim3\ \mathrm A0∼3 A 量程;再数清一个大格分成几小格,算出分度值;最后看指针从零刻度起经过多少小格。对同一个表盘位置,接 0∼3 A0\sim3\ \mathrm A0∼3 A 量程时可能读作 1.7 A1.7\ \mathrm A1.7 A,接 0∼0.6 A0\sim0.6\ \mathrm A0∼0.6 A 量程时则读作 0.34 A0.34\ \mathrm A0.34 A,后者是前者的五分之一。这只是共用表盘的两种刻度读法,代表的是两种不同的被测电流;若某电路已经测得 1.7 A1.7\ \mathrm A1.7 A,绝不能改接最大值仅为 0.6 A0.6\ \mathrm A0.6 A 的小量程。

练习时每次都把“量程—分度值—格数—单位”说完整。若指针几乎不动,可能是量程选得太大,也可能是电路断路;若指针迅速打到最右端,可能是量程太小或发生了错误连接。仪表现象只是线索,不能脱离电路路径直接下结论。

串联电路中的电流会不会越用越少

有人看到电流先经过灯1,再经过灯2,会猜想灯1“用掉”一部分电流,所以灯2处电流更小。要检验这个猜想,可以在串联电路中选择三处:灯1前的A点、两灯之间的B点、灯2后的C点,依次把电流表串联接入并记录读数。

探究串联电路各处电流的实验装置

人工复核提示:图中测点和电流表的三次串联位置可用于观察,但开关画成断开状态时灯泡仍呈发光状态,二者相矛盾。真实操作中,闭合开关才读取工作电流;移动电流表前必须先断开开关。

例如某组得到 IA=0.28 AI_A=0.28\ \mathrm AIA​=0.28 A、IB=0.28 AI_B=0.28\ \mathrm AIB​=0.28 A、IC=0.28 AI_C=0.28\ \mathrm AIC​=0.28 A。更换不同规格的小灯泡和电池后,三个读数的具体数值改变,但同一次实验中三处读数仍相等。由多组证据可以概括:

IA=IB=IC\boxed{I_A=I_B=I_C}IA​=IB​=IC​​

也就是说,串联电路中电流处处相等。电流不是某只灯泡装在容器里的材料,不会被第一只灯泡“吃掉”。在稳定工作的电路中,单位时间内通过各处导线横截面的电荷量相等;灯泡把电能转化为光和内能,消耗的是电能,不是把电流消耗没了。

只测一次、只用两只相同灯泡还不够有说服力。实验要换用不同规格的灯泡或改变电源条件,多测几组;读数时统一量程和有效刻度,及时把数据填入表格。若三处读数有很小差异,要先检查读数误差、接线接触和仪表状态,不应为了“符合规律”私自修改数据。

设计记录表时,一列写实验次数,三列分别写A、B、C三处电流,并在表头统一标明单位。每次移动电流表前都要断开开关;接到新测点后重新检查正负接线柱和量程,再短暂闭合读数。不能在电路工作时直接把表从一处拔到另一处,否则既可能使电路突然断开,也可能因误碰导线形成错误连接。若换过灯泡后所有数据仍完全不变,还要怀疑是否忘了真正更换实验条件,而不是把“数据整齐”当成实验质量高。

并联电路中电流在哪里分开

并联电路有分流点和汇合点。测量时,把干路上的电流记为 III,两条支路的电流分别记为 I1I_1I1​、I2I_2I2​。电流表测哪一段,就要串联接入哪一段;若把电流表横跨在灯泡两端,不仅测不到正确的支路电流,还可能造成危险。

探究并联电路干路与支路电流的实验装置

人工复核提示:图中第1幅小图的电流表接线被表体遮挡,正、负端子的方向不够清楚;实际测A处干路电流时,正接线柱应接电源正极一侧,负接线柱接分流点一侧。图顶部闭合开关画法经过简化,不作为规范电路符号示范。

假设测得一条支路电流为 0.16 A0.16\ \mathrm A0.16 A,另一条支路为 0.24 A0.24\ \mathrm A0.24 A,干路电流为 0.40 A0.40\ \mathrm A0.40 A,可以看到 0.40=0.16+0.240.40=0.16+0.240.40=0.16+0.24。更换灯泡重复实验,数值会变,数量关系保持不变:

I=I1+I2\boxed{I=I_1+I_2}I=I1​+I2​​

因此,并联电路中干路电流等于各支路电流之和。若有三条支路,就写成 I=I1+I2+I3I=I_1+I_2+I_3I=I1​+I2​+I3​。这条规律既适用于分流处,也适用于汇合处:流入节点的总电流等于流出节点的总电流。

测干路电流时,电流表应放在分流点以前或汇合点以后;测某条支路时,表应放在该支路的分流点与汇合点之间。看起来只移动了一小段位置,测量对象却可能从“一条支路”变成“所有支路的总和”。所以列式之前应在图上圈出电流表所在的那段导线,并问自己:这一段电流还没有分开、已经分开,还是已经汇合?

并联不意味着各支路电流一定相等。只有支路条件恰好相同时,支路电流才可能相等;两只规格不同的灯泡并联时,常出现 I1≠I2I_1\ne I_2I1​=I2​,但总有 I=I1+I2I=I_1+I_2I=I1​+I2​。因此看到两支路就把干路电流“平均分一半”,是没有依据的。

操作虚拟实验时,先选择测点并预测读数,再闭合开关。尝试改变两条支路的灯泡规格,观察支路电流怎样改变、干路电流怎样随之改变。真正要保持的是同一节点前后的“总量账本”,不是每条支路都相等。

把规律用于接线检查与故障判断

电路故障通常表现为灯不亮、只有一盏灯亮、指针无偏转或偏转异常。判断时先断电,再按“电源—开关—节点—用电器—仪表—回到电源”的顺序检查,不凭一处现象猜答案。

断路是某处不连通。串联电路只有一条路径,任一处断路,整条电路电流都为零,两灯都不亮。并联电路若一条支路断路,该支路电流为零,其他完整支路仍可能工作;若干路断路,所有支路都停止工作。

局部短路是导线把某个用电器的两端直接连起来,电流绕开这个用电器。被短路的灯通常不亮,其他元件的状态可能改变。电源短路则是电流不经过正常用电器就从一极回到另一极,危险性大,必须立即断开。不要把“灯不亮”一律判为断路:灯被短路时也可能不亮,但两者的电流路径完全不同。

串联小灯泡电路的断路与短路诊断

故障训练中要把证据连成链:先看哪些灯亮,判断哪些路径一定完整;再看电流表是否有示数,确定电流是否经过测量位置;最后比较开关变化前后的现象,缩小故障范围。实际操作时始终先断开开关再调整导线,不能用导线逐点“碰试”,更不能用电流表直接试接电源。

学会后再看中考怎样问

中考常把本章知识藏在实物图、开关控制、表盘读数和实验表格里。图画得复杂时,先标出节点并简化路径;问开关控制范围时,分别设想该开关断开和闭合;问电流表示数时,先确认电流表所在的干路或支路,再使用串联相等或并联相加;问实验结论时,必须从多组数据概括,不能拿一组恰好相等的数据推出所有情况。

还要分清两个层次。串联电流相等、并联干路电流等于支路电流之和,是本章通过实验得到的规律;灯泡亮暗还受后续要学习的电压、电阻和功率影响,不能只凭“电流先后经过”解释亮暗。遇到暂未学过的量,不越界硬算,先用路径、开关和已知电流关系解决问题。

一张陌生电路图可以这样读:先找电源两极,再沿可能的闭合路径描线;遇到节点看分流与汇合;确定电流表所在位置和量程;最后才列电流关系。路径读对了,串并联、开关作用、仪表示数和多数故障问题就有了共同的解题起点。

本章小结

串联只有一条完整电流路径,用电器相互影响,电流处处相等;并联有两条或更多支路,各支路可以相对独立工作,干路电流等于各支路电流之和。电流表使用前要检查并调零,测量时串联接入待测部分,正进负出,量程合适,读数时视线与刻度面垂直,绝不能直接接到电源两极。连接与排障都从断开开关开始,以路径和节点为依据,以多次测量和真实记录为证据。

课后练习

1. 路径辨识

两只小灯泡接入同一电源。取下一只灯泡后,另一只灯泡也熄灭。能否仅凭这个现象断定两灯一定串联?说明理由。

不能。判断过程是:两灯都熄灭说明另一只灯所在的闭合路径也被破坏,这与串联电路只有一条路径相符;但如果两灯原本并联,取灯泡时同时碰松了干路接线或电源接线,也会出现全部熄灭。因此这个现象只能作为线索,还要检查两灯是否依次处在同一条路径上,或在不改变其他接线的条件下重复实验,才能确定连接方式。

2. 开关控制

两盏灯并联,开关S装在干路,开关S1装在灯L1所在支路。闭合S、断开S1时,两灯分别怎样?若再断开S,又会怎样?

先看路径。S闭合时干路连通;S1断开使L1支路不完整,所以L1不亮。L2支路没有被S1切断,仍能从分流点经过L2回到汇合点,所以L2亮。再断开干路开关S,电源到两条支路的共同路径被切断,两条支路都没有完整回路,因此L1、L2都不亮。关键是先判断开关位于干路还是支路。

3. 电流表读数

某电流表使用“0.6”和“-”接线柱,表盘共有30个小格,指针指在第18小格。电流表示数是多少?如果误按 0∼3 A0\sim3\ \mathrm A0∼3 A 量程读数,会得到多少?

实际使用的是 0∼0.6 A0\sim0.6\ \mathrm A0∼0.6 A 量程,分度值为 0.6 A÷30=0.02 A0.6\ \mathrm A\div30=0.02\ \mathrm A0.6 A÷30=0.02 A。指针经过18小格,所以正确读数为 18×0.02 A=0.36 A18\times0.02\ \mathrm A=0.36\ \mathrm A18×0.02 A=0.36 A。若误按 0∼3 A0\sim3\ \mathrm A0∼3 A 量程,每小格是 0.1 A0.1\ \mathrm A0.1 A,会读成 1.8 A1.8\ \mathrm A1.8 A。错误原因不是看错指针位置,而是没有先根据接线柱确定量程。

4. 错误接线与安全

小明把电流表直接接在一节新干电池两端,准备“测电池中的电流”。这个方案错在哪里?发现后应怎样处理?

电流表对电流的阻碍很小,直接跨接电池两端相当于用很小的阻碍把正、负极相连,可能产生过大电流,损坏电流表和电池。因此这个方案既不能表示某个用电器的工作电流,也不安全。应立即使电路与电源断开,例如移开接在电池任一接线端的导线或电流表接线,绝不能为了观察现象而维持短路;若要测灯泡电流,应让电源、开关、灯泡和电流表串联成完整电路,并先选较大量程试触。

5. 串联电流

灯L1和L2串联。测得通过L1的电流为 0.24 A0.24\ \mathrm A0.24 A,则L1与L2之间导线中的电流和通过L2后的电流分别是多少?有人说后者应小于 0.24 A0.24\ \mathrm A0.24 A,因为L2又消耗了一部分电流。请评价。

串联电路只有一条电流路径,稳定工作时各处电流相等,所以两处电流都为 0.24 A0.24\ \mathrm A0.24 A。所谓“灯泡消耗电流”不正确:灯泡工作时把电能转化为光和内能,电流描述单位时间内通过导体横截面的电荷量,并不会经过一个灯泡就逐段减少。因此不能用用电器的先后顺序判断电流大小。

6. 并联电流计算

两盏灯并联,干路电流为 0.75 A0.75\ \mathrm A0.75 A,通过灯L1的电流为 320 mA320\ \mathrm{mA}320 mA。求通过灯L2的电流。

先统一单位:320 mA=0.320 A320\ \mathrm{mA}=0.320\ \mathrm A320 mA=0.320 A。并联电路满足 I=I1+I2I=I_1+I_2I=I1​+I2​,所以 I2=I−I1=0.75 A−0.320 A=0.430 AI_2=I-I_1=0.75\ \mathrm A-0.320\ \mathrm A=0.430\ \mathrm AI2​=I−I1​=0.75 A−0.320 A=0.430 A,即 430 mA430\ \mathrm{mA}430 mA。若直接用0.75减320,数值和单位都没有共同意义,这是本题最容易出现的错误。

7. 实验数据评价

一组同学只用两只相同灯泡测量一次并联电路,得到干路电流 0.40 A0.40\ \mathrm A0.40 A,两支路电流都为 0.20 A0.20\ \mathrm A0.20 A,于是写出“并联电路各支路电流一定相等”。指出问题并提出改进。

这组数据能支持 0.40 A=0.20 A+0.20 A0.40\ \mathrm A=0.20\ \mathrm A+0.20\ \mathrm A0.40 A=0.20 A+0.20 A,即干路电流等于两支路电流之和;却不能支持各支路电流总相等,因为两只相同灯泡和一次测量都具有特殊性。改进时应改变两支路的负载条件,例如换用规格不同的灯泡或电阻,在电源等其他条件不变时测量多组干路和支路电流;共同改变电源而仍使用两只相同灯泡,不能排除支路电流相等只是负载相同造成的特殊结果。测量前还要检查电流表指针是否回零,读数时视线与刻度面垂直;如出现小差异,应再检查量程和接触情况。综合多组数据后应概括为 I=I1+I2I=I_1+I_2I=I1​+I2​,而不是把一次相等误当普遍规律。

8. 故障诊断

两灯串联,闭合开关后两灯都不亮,电流表也无示数。小华断定“L1一定断路”。他的结论可靠吗?还可能有哪些原因?

不可靠。两灯串联且电流为零,在电源正常、只考虑接线或元件断路的条件下,只能判断串联路径某处不通。L1断路是可能原因之一,L2灯丝断开、开关接触不良、某根导线松脱、电源没有接好,都能造成同样现象。诊断应先断开开关,逐段检查接线和元件;在有合适器材并遵守操作规范的条件下,再通过替换完好元件或分段检测缩小范围。不能从一个共同现象直接锁定某一元件。

9. 设计与综合判断

现有电池、两只灯泡、一个总开关和两个分开关。要求总开关能同时控制两灯,每个分开关只控制对应的一盏灯,而且任意一灯熄灭不影响另一灯。应采用什么连接?请说明检查方案。

两灯应并联,因为“任意一灯熄灭不影响另一灯”要求每盏灯各有独立支路。总开关串联在分流点以前或汇合点以后的干路上;两个分开关分别与各自灯泡串联在两条支路中。检查时先断开所有开关并沿路径核对,确认没有电源短路;闭合总开关后,分别闭合两个分开关,应只点亮对应灯;两分开关都闭合时两灯都亮;断开总开关时两灯都灭。每一种开关状态都与控制要求一致,才说明设计正确。

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