串联和并联电路:连接方式、开关作用与电流、电压规律
把用电器逐个顺次连接起来的电路叫串联电路,把用电器并列连接起来的电路叫并联电路。串联电路中电流只有一条路径,各用电器相互影响,开关控制整个电路;并联电路中电流在分支点分成几条支路,各支路用电器互不影响,干路开关控制整个电路、支路开关只控制本支路。规律:串联电路中电流处处相等,电源两端电压等于各用电器两端电压之和;并联电路中干路电流等于各支路电流之和,各支路两端电压相等,都等于电源两端电压。
电路的组成和三种状态
电路由电源、用电器、开关和导线组成。电源提供电能,用电器消耗电能,开关控制电路的通断,导线输送电能。规定正电荷定向移动的方向为电流的方向:在电源外部,电流从电源正极经过用电器流向负极。金属导线中定向移动的是带负电的自由电子,它的移动方向与电流方向相反。
- 通路:处处连通的电路,有电流,用电器工作。
- 断路(开路):某处断开的电路,没有电流,用电器不工作。开关断开、灯丝断了、导线没接好都会造成断路。
- 短路:用导线直接把电源两极连接起来叫电源短路,电流很大,会烧坏电源,绝对不允许;用导线把某个用电器两端直接连起来,电流不经过它,叫这个用电器被短路,它不工作。
串联和并联的特点
| 串联电路 | 并联电路 | |
|---|---|---|
| 连接方式 | 用电器逐个顺次连接(首尾相连) | 用电器并列连接在两点之间(首首相连、尾尾相连) |
| 电流路径 | 只有一条 | 两条或两条以上,分为干路和支路 |
| 用电器工作 | 相互影响,一个断开其余都不工作 | 互不影响,一个断开其余照常工作 |
| 开关的作用 | 控制整个电路,作用与位置无关 | 干路开关控制整个电路,支路开关只控制本支路 |
| 电流规律 | I = I₁ = I₂(处处相等) | I = I₁ + I₂(干路等于各支路之和) |
| 电压规律 | U = U₁ + U₂(总电压等于各部分之和) | U = U₁ = U₂(各支路两端电压相等) |
| 实例 | 节日小彩灯、开关与它控制的电灯 | 家庭电路中的各用电器、马路上的路灯 |
判断串联还是并联,可以“顺着电流走一遍”:电流只有一条路径就是串联,中途分岔、再汇合就是并联;也可以用“拆除法”:取下一个用电器,其余都不工作是串联,其余照常工作是并联。判断时电流表可以看成导线,电压表可以看成断开。
探究串、并联电路中电流和电压的规律
电流表要串联在被测电路中,电压表要与被测电路并联;电流都要从“+”接线柱流入、从“−”接线柱流出;先用大量程试触,再选合适的量程。实验时换用不同规格的小灯泡,多做几次,得出普遍规律。
串联:I = I₁ = I₂,U = U₁ + U₂
并联:I = I₁ + I₂,U = U₁ = U₂
例如在模型中把 2.5 V 和 3.8 V 的小灯泡串联接在 3 V 电源上:三只电流表示数都约为 0.14 A;L1 两端电压约 1.19 V,L2 两端电压约 1.81 V,加起来等于 3 V。两灯并联时,通过 L1 约 0.36 A、通过 L2 约 0.24 A,干路电流约 0.60 A;两灯两端电压都是 3 V。
用这个模型做实验
- 打开“串联电路”,断开开关 S,再闭合;点一下 L1 把它取下,看 L2 是否还亮。再用“擦除”和“开关”工具把开关挪到两灯之间,看它是否照样控制两盏灯。
- 打开“并联电路”,分别断开 S、S1、S2,看各个开关控制哪盏灯;取下 L1,看 L2 是否还亮。
- 在“串联的电流规律”和“并联的电流规律”中读三只电流表的示数,切换灯泡规格和电源电压,验证 I = I₁ = I₂ 和 I = I₁ + I₂。
- 在“串联的电压规律”和“并联的电压规律”中读三只电压表的示数,验证 U = U₁ + U₂ 和 U = U₁ = U₂。
- 打开“短路”,闭合 S2 看 L2 被短路,闭合 S3 看电源短路时电流有多大。
- 用“操作”工具点一下电流表,对调它的正、负接线柱,看指针反偏;用“电压表”工具把一只电压表换到串联位置上,看灯为什么不亮。
- 把“沿导线流动”切换成“自由电子”,比较自由电子移动方向与电流方向。
- 点“清空,重新连接”,自己设计电路:例如一个开关同时控制两盏并联的灯,或者三盏灯的混联电路。
常见问题
怎样判断电路是串联还是并联?
看电流的路径:电流只有一条路径、用电器逐个顺次连接的是串联;电流在某处分成几条支路、用电器并列连接在两点之间的是并联。也可以用“拆除法”:取下一个用电器,如果其他用电器都不能工作,它们是串联;如果其他用电器照常工作,它们是并联。判断时可以把电流表看成导线,把电压表看成断开。
串联电路和并联电路中开关的作用有什么不同?
串联电路中开关控制整个电路,而且开关的位置改变时,它的控制作用不变。并联电路中,干路上的开关控制整个电路,支路上的开关只控制它所在支路的用电器。
串联电路中电流处处相等,为什么两个灯泡的亮度可能不同?
灯泡的亮度由它的实际功率决定,不只看电流。规格不同的两个灯泡串联时,通过它们的电流相等,但两端的电压不同,实际功率不同,所以亮度可能不同。不能因为亮度不同就认为通过它们的电流不同。在这个模型中,2.5 V 和 3.8 V 的小灯泡串联时,3.8 V 的灯泡两端电压更大,看起来更亮。
什么是短路?为什么电源短路是不允许的?
用导线直接把电源的正、负极连接起来,叫电源短路,这时电路中电流很大,可能烧坏电源和导线,甚至引起火灾,是绝对不允许的。用导线把某个用电器两端直接连起来,电流从导线通过、不经过这个用电器,叫这个用电器被短路,被短路的用电器不工作,其余部分可能仍然正常工作。
使用电流表、电压表时要注意什么?
电流表要串联在被测电路中,电压表要与被测电路并联;电流都要从“+”接线柱流入、从“−”接线柱流出,否则指针反偏;被测值不能超过量程,不知道大小时先用大量程试触。电流表绝对不允许不经过用电器直接接到电源两极上;电压表可以直接接在电源两极上,测的就是电源电压。电压表如果串联在电路中,电路中几乎没有电流,灯不亮,电压表示数接近电源电压。
为什么探究串、并联电路的规律时要换用不同规格的灯泡多次实验?
如果只用两个规格相同的灯泡做一次实验,容易得出“串联电路中各用电器两端电压相等”“并联电路中各支路电流相等”之类的错误结论。换用不同规格的灯泡、多做几次实验,才能排除偶然性,得到普遍规律:串联电路中电流处处相等,总电压等于各部分电压之和;并联电路中干路电流等于各支路电流之和,各支路两端电压相等。
家里的电灯、插座是串联还是并联?
家庭电路中各用电器之间是并联的:每个用电器两端的电压都是 220 V,能独立工作、互不影响,一个灯坏了其他用电器照常工作。控制电灯的开关与这盏灯串联。马路上的路灯虽然同时亮、同时灭,但一盏坏了其他照常亮,也是并联,开关装在干路上。节日小彩灯通常是串联的,一个坏了一串都不亮。
适用课程
人教版初中物理九年级全一册第十五章《电流和电路》第 2 节“电流和电路”(电路的组成、通路、断路、短路、电路图)、第 3 节“串联和并联”、第 4 节“电流的测量”、第 5 节“串、并联电路中电流的规律”,第十六章《电压 电阻》第 1 节“电压”(电压表的使用)、第 2 节“串、并联电路中电压的规律”,以及其他版本教材中的相关内容。常见题型有“判断电路的连接方式”“根据要求设计电路”“判断开关的控制作用”“判断电表测量的对象”“分析短路、断路故障”“利用串、并联电路的电流、电压规律计算”等。