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电磁学

串联与并联电路

测量两个电阻串联和并联电路中的电流与电压。验证 R串=R1+R2R_串=R_1+R_2、1/R并=1/R1+1/R21/R_并=1/R_1+1/R_2 及基尔霍夫电流电压定律。

初中

⚠ 真实电路:只用低压电源,电压表并联、电流表串联——电流表接错会造成短路。

器材

  • 双电阻电路模型与「切换到并联」按钮
  • 电源电压、电阻R₁与R₂滑块
  • 虚拟电流表/电压表与各支路读数

实验步骤

  1. 考察串联电路

    设 U = 9 V、R₁ = 3 Ω、R₂ = 6 Ω。读取每个电阻的电流——相同,I=U/(R1+R2)=0.6I=U/(R_1+R_2)=0.6 A——以及各电阻电压:U1=1.8U_1=1.8 V、U2=3.6U_2=3.6 V,合计恰为9 V(基尔霍夫回路定律)。

  2. 切换到并联

    按「切换到并联」,保持 U、R₁、R₂ 不变。两条支路同受9 V;读支路电流 I1=U/R1=3I_1=U/R_1=3 A、I2=1.5I_2=1.5 A;总电流 I=I1+I2=4.5I=I_1+I_2=4.5 A(基尔霍夫节点定律)。等效电阻 Rp=U/I=2R_p=U/I=2 Ω——符合 1/Rp=1/3+1/61/R_p=1/3+1/6。

  3. 比较功率与亮度

    在图2中观察各支路中的载流子流动并比较其「密度」——电流的直观像。对每种接法计算 P=UIP=UI:因 Rp<RsR_p<R_s,并联总功率远大于串联——这正是家用灯泡并联的原因。

  4. 自选参数预测

    任选 U、R₁、R₂;先算 I串=U/(R1+R2)I_串=U/(R_1+R_2) 与 I并=U/R1+U/R2I_并=U/R_1+U/R_2,再切换模式验证。试并联中令 R₂ → 1 Ω:该支路「主导」电流——并联中小电阻主导,串联中大电阻主导。

模拟

实验历史

电阻组合规律是基尔霍夫两条定律的直接推论——古斯塔夫·基尔霍夫21岁时在1845年关于分支电路的论文中提出,距欧姆定律发表仅18年,当时欧姆定律尚存争议。基尔霍夫在电子学诞生之前就奠定了一般电路分析的基础。 其首个壮观应用是1850–60年代的跨大西洋电报,基尔霍夫与汤姆孙(开尔文勋爵)分析了海底电缆中的电流。如今节点/回路定律是从手机电路板到国家电网一切电路分析的语言,也是电荷与能量守恒的经典范例。

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