利用級級短路判斷電路連接方式

江蘇省泰州市高港區教師發展中心(225323) 戴同蘭

對于初學電學知識的學生而言,判斷電路的連接方式一直是一個難點。特別是電路中有電流表和電壓表,在判斷電路連接方式時,對于電流表接在電路中,可以看成是導線,電壓表接在電路中,可以看成是斷路,這個知識點對初學電學的學生而言,更是無法理解。筆者為了能讓學生真正理解該知識點,正確運用該知識點判斷電路連接,引導學生以綜合實踐活動的形式進行創新實驗。

1 電流表和電壓表對測量電路的影響

《中學理科實驗教學指導——初中物理分冊》一書中指出：理想情況下,電流表的內阻等于零,串聯接入電路后不影響電路中的電流,即測量值與實際值相同。

9年級上冊義務教育物理教科書 (蘇科版)中也指出：電流表和電壓表對測量電路的影響。測量電流時,電流表的電阻比待測電路的電阻小得多,因此對測量值的影響可以忽略不計。正因為電流表的電阻很小,所以不能把它直接接在電源兩端,否則會燒壞電流表。

與電流表不同,由于電壓表的電阻比待測電路的電阻大得多,通過它的電流很小,一般可以忽略不計。正因為電壓表的電阻很大,所以不能把它直接串聯接在電路中,否則閉合開關電路相當于斷路,電壓表的讀數就等于電源電壓,但可以把電壓表直接接在電源兩端,它的讀數也等于電源電壓。所以,測量電壓時需要把電壓表并聯在待測電路兩端。

正是電流表和電壓表具有上述特點,所以在判斷電路連接方式時,可以把電流表看成是導線,把電壓表看成是斷路。

筆者為了能讓學生真正理解該知識點,正確運用該知識點判斷電路連接,引導學生以綜合實踐活動的形式進行創新實驗。

該實驗所需器材非常簡單,錫紙可以用祭祀用的錫箔紙代替,口香糖或巧克力里面的包裝紙也可以,其他實驗器材利用學校實驗室中的常規器材就可以完成。以下是該創新實驗的主要內容,從兩個大的方面來進行說明,有利于學生真正領會電路的基本知識點,正確判斷電路的連接方式。

2 電源短路和用電器短路的區別

實驗一：電源短路

用一個廢舊電池組成的簡單電路,閉合開關,燈泡發光,打開開關,加一錫箔紙,接到燈泡的兩個接線柱之間。

現象：燈泡不亮,拿導線的手感到發燙,用手摸錫箔紙感到發燙,用手摸干電池也會發熱。

該電路的原理是,在電路中,電流不流經用電器,直接連接電源兩極,這就是我們通常所說的短路,也叫電源短路。所謂電源短路,通俗地說就是電流不流經用電器,只從電源上走。該處錫箔紙是一種導電的金屬材料,接上電池后形成了短路,電流不從燈泡上走,直接從錫箔紙上到電源兩極,此時電路中電流很大,發熱量比較大,因此溫度就容易上升,用手摸上去就發燙,會損壞電源,這是絕對不允許的。所以為了安全,不管是導線、閉合開關,還是其他的導電金屬材料都不能直接連接到電源兩端。

用廢舊電池的原因：一是不會浪費能源,二是錫箔紙盡管發燙,但不容易燃燒,可以讓學生自己動手體驗,加深印象。

實驗二：用電器短路

圖1是一個簡單的串聯電路,閉合開關,兩燈正常發光。如圖2所示,用一根導線將其中的一個小燈泡兩端的接線柱連接起來,此時這個燈泡不亮,而另一個燈泡仍然發光,這種現象叫用電器被短路,也叫部分短路。所謂部分短路,通俗地說就是電流不流經該用電器,只從與該用電器并聯的導線上走,導線把用電器短路短掉了。導線對電流而言相當于是暢通無阻的,此時該用電器中無電流通過,但其他用電器中仍有電流通過,這種電路是允許的,有時候我們還要利用這種電路來設計有關的用電器。

圖1 用電器串聯電路

圖2 燈泡短路示意圖

3 如何正確理解級級短路

實驗三：電流表被導線短路

圖3是一個簡單的串聯電路,電流表串聯在電路中,閉合開關,兩燈正常發光,電流表有讀數。

如圖4所示,用一根導線將電流表兩端的接線柱連接起來,此時這個電流表沒有讀數,但是兩個燈泡仍然發光,說明導線把電流表短路短掉了。也說明了電流表與導線相比,可以看成是用電器,電流表對電流的阻礙作用比導線大的多。

圖3 電流表串聯電路

圖4 電流表短路示意圖

實驗四：用電器被電流表短路

圖5是一個簡單的串聯電路,閉合開關,兩燈正常發光,電流表有讀數。

如圖6所示,電流表與其中一個燈泡并聯,閉合開關,與電流表并聯的燈泡不亮,可以認為該燈泡中沒有電流通過,但另一個燈泡仍然發光,電流表有讀數。說明電流表把用電器短路短掉了,由此可見,電流表與用電器相比,可以看成是導線,電流表對電流的阻礙作用比用電器要小得多,同時也說明電流表為什么要與被測電路串聯,而不能與用電器并聯的原因。

圖5 用電器與電流表串聯電路

圖6 用電器被電流表短路示意圖

實驗五：電壓表對電路的影響

電壓表接在電路中,相當于斷路。如圖7所示,閉合開關,兩燈都發光,電壓表有示數。如圖8所示,若將與電壓表并聯的小燈泡取下來,此時,相當于電壓表與燈泡串聯在電路中,看到的現象是,燈泡不亮,電壓表的示數比剛才的要大,幾乎等于電源電壓。說明電壓表接在電路中,相當于斷路,或者說用電器與電壓表相比,相當于導線。在該實驗中,如果打開開關,此時電壓表示數為零,電源電壓全部降落在開關兩端,說明電壓表與真正的斷路相比,又相當于是導線。

圖7 電壓表并聯電路

圖8 電壓表串聯電路示意圖

4 結束語

上述幾個實驗,主要是為了說明電流表接在電路中相當于導線,電壓表接在電路中相當于斷路。這個知識點,對于初學電學知識的學生而言,盡管都知道,但真正在判斷電路的連接方式時往往還是沒有感覺,該創新實驗,可以作為綜合實踐活動,讓學生以分組實驗的形式自己操作,通過親身體驗,使學生真正領會該知識點,在實際判斷電路的連接方式時非常有用,可以用圖9所示的級級短路關系圖來反映它們之間的關系。

圖9 級級短路關系圖