10.1 简单串联、并联组合电路（教学课件）物理沪科版必修第三册

第十章 电路及其应用 第一节 简单串联、并联 组合电路 作者：徐圣钦 微信：894665727 高中物理必修第三册•沪科版 引言 电荷为什么会流动？电荷流动服从什么规律？产生哪些效应？这些效应对人类的生产、生活方式和社会进步又起着怎样的作用呢？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 知道电路的组成与常见电路元器件，理解电流的形成过程，掌握电流定义式 I=Q/t 并能进行基础计算，明确电流方向的规定。 02 科学思维 通过“等效电路”的化简方法理解串联、并联组合电路的分析思路，体会等效替代思想，培养逻辑推理能力。 03 科学探究 通过分析组合电路的示例，经历“先并联等效、再逐步还原”的计算过程，提升分析与论证的能力。 04 科学态度与责任 了解集成电路对电子技术发展的推动作用（STSE），体会电路知识与生产生活的密切联系。 作者：徐圣钦 微信:894665727 教学重难点 教学难点 教学重点 电流的形成与电流定义式的应用；串、并联组合电路的等效化简与计算 从微观角度理解漂移速度与电流的形成；组合电路的逐步等效还原 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂引入 夜晚的上海浦东陆家嘴（图10-1）灯光璀璨，美丽壮观。实现这些照明效果，需要使用各种各样的电路元器件搭建电路。 作者：徐圣钦 微信:894665727 常见的电路元器件 如图10-2所示是一些常见的电路元器件，自左至右依次为小型电动机、电感器、电容器、电阻器、三极管和二极管。如表10-1所示为电路中常见元器件的名称及符号。 表10-1 常见电路元器件的名称及符号 作者：徐圣钦 微信:894665727 知识点 1 电路与电流 电源 P A + + + + + + + + B - - - - - - - - - - + + 【议一议】电源提供电能，用电器消耗电能，导线输送电能，开关控制通断。 电路的组成：电源、用电器、开关和导线。 作者：徐圣钦 微信:894665727 知识点 2 电流 恒定电流 自由电子的热运动：金属导体中的自由电子做无规则的热运动，向各个方向运动的机会均等，宏观上不形成电流。 电场下的定向移动：导体中存在电场时，自由电子在电场力作用下获得加速度，与原子实频繁碰撞后获得漂移速度，形成电流。 作者：徐圣钦 微信:894665727 恒定电流 【议一议】盐水中可以形成电流，盐水中的电流和金属导体中的电流的形成有什么不同？ 电流的方向如何定义？如何描述电流的强弱程度？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 恒定电流 - - - - + + + + + + + + + + + + ----- ------- 定义：用单位时间通过导体横截面积的电量表示电流（用来描述电流的强弱） 作者：徐圣钦 微信:894665727 恒定电流 【议一议】若单位时间，正电荷通过横截面为3C，负电荷通过横截面为-2C，则电流为多少？方向如何流动？ 正离子→阳极 负极←阴离子 作者：徐圣钦 微信:894665727 恒定电流 - 电源外部：电流由正极到负极 电源内部：电流由负极到正极 - 形成一个闭合回路 作者：徐圣钦 微信:894665727 恒定电流 - - + + + + + ----- 电流方向 1.电流的方向：规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，则负电荷定向移动的方向与电流的方向相反. 2.电流的大小：定义式： .用该式计算出的电流是时间t内的平均值.对于恒定电流，电流的瞬时值与平均值相等. 3.单位：安培（A）, 此外还有毫安（mA）、微安（uA） 1uA=10-3mA=10-6A 特别说明：电流是标量 电流虽然有方向，但它不是矢量而是标量. 作者：徐圣钦 微信:894665727 电路中的电压如何理解？ 问题：电路中的电压如何理解？ · 导体中的自由电荷是在电场力的作用下才发生定向移动的。 · 正电荷在电场力的作用下从电势高处向电势低处运动。我们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，因此沿电流方向电势逐渐降低。 · 电流方向上两点间存在的电势差，就是电路中这两点间的电压。 沿电流方向电势逐渐降低 作者：徐圣钦 微信:894665727 拓展视野 电阻产生的原因 电流的微观解释 - - - - - - - - - - - - + + + + + 通常情况下：金属中的自由电子以约10⁵ m/s 的速率做无规则的热运动，向各方向运动机会均等→宏观上不形成电流 加上电压后：电子在电场力作用下获得漂移速度，定向移动形成电流 分子热运动速率 大家谈：电场力持续存在，自由电子的漂移速度会持续增大吗？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 拓展视野：电阻产生的原因 · 当对金属导体两端施加电压时，金属内部就建立起电场，并形成和电场方向相同的电流。 · 电子会和原子实发生碰撞，这种碰撞对电子的定向运动形成“阻碍”。加速与碰撞两种作用同时存在，一定电压下电子获得一定的漂移速度，形成一定的电流。 · 电场对电子加速必然对电子做功。在电子与原子实碰撞过程中，电子的一部分动能传递给原子实，使原子实在点阵位置上的热振动加剧，表现为导体获得热量、温度升高。 · 自由电子与晶体点阵上的原子实碰撞，形成对电子定向运动的阻碍作用，这就是“电阻”产生的原因，也是电阻元件在通电时发热的原因。 【大家谈·解答】碰撞形成的“阻碍”，使电子的漂移速度不会持续增大——一定电压下电子获得一定的漂移速度，导体中的电流也是一定的。 作者：徐圣钦 微信:894665727 电流的微观解释 【例】一根长为2m、横截面积为1.6×10−5m2的铜棒，铜棒的电阻为2.19×10−3Ω，铜棒内的电场强度为2.5×10−2V/m，铜棒内自由电子密度为8.5×1029m−3，电子的电荷量为e=1.6×10−19C.求： (1)铜棒两端的电压； (2)通过铜棒的电流； (3)自由电子定向移动的速率． 为什么开关闭合瞬间灯就亮了？ 作者：徐圣钦 微信:894665727 电流的微观解释 【例】AD表示粗细均匀的一段长为l的导体，两端加一定的电压，导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为v，设导体的横截面积为S，导体单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量大小为q，求电流大小。 导体AD内的自由电荷全部通过横截面D所用的时间t＝. 导体AD内的自由电荷总数N＝nlS 总电荷量Q＝Nq＝nlSq 此导体中的电流I＝＝＝nqSv. 作者：徐圣钦 微信:894665727 三种速率的区别 自由电荷定向移动速率 自由电荷定向移动形成电流，其中自由电荷定向移动速率的数量级一般为10－4 m/s 电子热运动速率 导体内的自由电子在永不停息地做无规则的热运动，由于热运动，自由电子向各个方向运动的机会相等，故不能形成电流，常温下电子热运动速率的数量级为105 m/s 电场传播速率(或电流传导速率) 等于光速.闭合开关的瞬间，电路中各处以真空中光速c的速度建立恒定电场，在恒定电场的作用下，电路中各处的自由电子几乎同时开始定向运动，整个电路也就几乎同时形成了电流 作者：徐圣钦 微信:894665727 串、并联电路 串联电路：把几个导体或用电器依次首尾连接，接入电路的连接方式。 并联电路：把几个导体或用电器的一端连在一起，另一端也连在一起，再将两端接入电路的连接方式。 实际生活中，大部分电路都是采用串联、并联组合的方式连接的。 作者：徐圣钦 微信:894665727 串、并联电路的规律 串联电路 ① 电流关系：I＝I1＝I2 ② 电压关系：U＝U1＋U2 ③ 电阻关系：R＝R1＋R2 串联电路的总电阻等于各部分电路电阻之和，越串越大——总电阻大于任何一个电阻。 并联电路 ① 电流关系：I＝I1＋I2 ② 电压关系：U＝U1＝U2 ③ 电阻关系：1/R＝1/R1＋1/R2 并联电路总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数之和，越并越小——总电阻小于任何一条支路的电阻。 若有 n 个相同电阻 R 并联，则总电阻 R总＝R/n。 作者：徐圣钦 微信:894665727 什么是串联、并联组合电路？ 初中时我们已经学了两个用电器的串联或并联。 当用电器的数目超过两个时，连接方式会比较复杂，可能既有串联又有并联。 将用电器同时采用串联和并联的方式组合起来形成的电路，叫做串联、并联组合电路。实际生活中大部分电路都是采用这种方式连接的。 分析组合电路的思路：先认清电路结构 → 把并联部分等效为一个电阻 → 化简为简单电路 → 再逐步还原求解。 【助一臂】 等效电路是将一个复杂的组合电路，通过电阻等效方法，化简成具有与原电路功能相同的简单电路，也称原复杂电路的等效电路。 “等效”的目的是在电路分析时，通过等效代替、简化过程。以前学过的平均速度、力的合成等都是等效思想的应用。 作者：徐圣钦 微信:894665727 示例：组合电路的计算 把阻值分别为 R1＝20 Ω、R2＝30 Ω、R3＝8 Ω 的三个电阻连接成如图10-6所示的组合电路，电路的总阻值为多少？若电源电压 U＝20 V，则闭合开关后，流过每个电阻的电流大小分别为多少？ 解：R1与R2并联后与R3串联， R′＝R1R2/(R1＋R2) ＝(20×30)/(20＋30) Ω＝12 Ω R总＝R′＋R3＝12 Ω＋8 Ω＝20 Ω I3＝I＝U/R总＝20/20 A＝1 A I1/I2＝R2/R1，I1＋I2＝1 A 得 I1＝0.6 A，I2＝0.4 A 作者：徐圣钦 微信:894665727 STS·电动汽车中的电池 电池放电时能输出的总电荷量叫作电池的容量，通常以“安时”（A·h）或“毫安时”（mA·h）作单位 作者：徐圣钦 微信:894665727 生活中的物理 电池放电时能输出的总电荷量叫作电池的容量，通常以“安时”（A·h）或“毫安时”（mA·h）作单位 作者：徐圣钦 微信:894665727 STSE：集成电路 · 集成电路是一种微型电子器件或部件：采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容等元器件及布线互连在一起，制作在一小块或几块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。 · 集成电路的诞生，使电子技术发生了划时代的革命。与由分立元件组装的普通电路相比，它具有重量轻、体积小、可靠性高和性能好等多项显著优势。 · 在集成电路的制造过程中，光刻技术是一个非常重要的环节，它决定了集成电路的集成度。随着集成度需求的不断提升，光刻技术正在逼近物理极限。 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂小结 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】关于电源功能与电流产生条件的说法正确的是（　　） A．电源是把电能转化为其他形式的能的装置 B．电源的作用是在电源内部搬运电荷，从而保持两极之间有稳定的电势差 C．电路中有电源，电路中一定有电流 D．电源实质上也是一个用电器，也需要外部提供能量 【答案】B 【考点】电流强度的定义及单位、电源、电动势的定义、电动势与电势差的对比 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】如图所示，导体的横截面积为S，单位体积内的自由电子数为，电子的电荷量为，自由电子定向移动的平均速率为，则电流为（     ） A． B． C． D． 【答案】D 【考点】电流强度的定义及单位、电流的微观表达式及其应用 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】手电筒中的干电池给小灯泡供电时，在某次接通开关的10s内通过某一横截面的电荷量为3C，则电流是（     ） A．0.3 A B．3 A C．30 A D．无法确定 【答案】A 【考点】电流强度的定义及单位 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】某国产电动汽车的充电电池标识如图所示，其含义为：电压12V，电池容量60Ah。按照用户的体验，如果在家自行充电的话，将电池充满需要10小时，而如果在充电站充电的话则需要两个小时。则下列说法中正确的是（     ） A．在充电过程中最多有的电荷量通过电池 B．在充电过程中最多有60C的电荷量通过电池 C．在家自行充电的电流是在充电站充电电流大小的四分之一 D．在家自行充电的电流是在充电站充电电流大小的5倍 【答案】A 【考点】元电荷、电荷量和比荷、电流强度的定义及单位、常见的电源种类及其电动势 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】如图所示，电解池内有一价离子的电解液，在时间t内通过溶液截面S的正离子数为n1，负离子数为n2。设元电荷为e，则以下说法正确的是（　　） A．溶液内正、负离子沿相反方向运动，电流相互抵消，即电流为0 B．溶液内电流方向从A到B，电流大小为 C．溶液内电流方向从A到B，电流大小为 D．溶液内电流方向从A到B，电流大小为 【答案】B 【考点】电流强度的定义及单位 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】（多选）如图所示的电路中，通过R1的电流是3 A，已知R1＝4 Ω，R2＝5 Ω，R3＝10 Ω，则（　　） A．bc间的总电阻是3 Ω B．ac间的总电阻是 Ω C．ac两端的电压是18 V D．通过R2的电流是2 A 【答案】BD 【考点】计算电阻串联或并联时的电压、电流和电阻、计算电阻混联时的电压、电流和电阻 作者：徐圣钦 微信:894665727 课堂巩固 【练习】由三个电阻连接成的电路如图所示。已知，，。若a、b之间的电压。求： (1)a、c之间的总电阻R； (2)a、c两端的总电压U； (3)通过的电流； 【答案】(1) (2) (3) 【考点】计算电阻混联时的电压、电流和电阻 作者：徐圣钦 微信:894665727 课后作业 练习与应用 分层作业 作者：徐圣钦 微信:894665727 谢谢聆听 谢谢聆听 $