定义 串联电路中,总电压等于各部分电路两端电压之和,即 $U = U_1 + U_2 + \dots + U_n$。
从哪来 本知识点建立在 3.1 串联电路(L1) 和 4.1 电流的定义与单位(L1) 之上。
* 依据 3.1:明确串联电路只有一条电流路径,各用电器首尾相连。
* 依据 4.1:理解电压是形成电流的原因,是电荷在电场力作用下移动做功的能力体现,为理解电压的“分配”提供物理基础。
为什么 从能量守恒角度解释:
电源提供电能,驱动电荷在电路中移动。在串联电路中,电荷每经过一个用电器,都要克服电阻做功,消耗一部分电能(电势能降低)。
1. 能量守恒:电源提供的总电能(对应总电压 $U$)必须等于电荷在整个回路中消耗的所有电能之和(对应各部分电压 $U_1, U_2...$)。
2. 电势降落:电压本质是电势差。电荷从电源正极出发,经过第一个用电器电势降低 $U_1$,经过第二个降低 $U_2$,回到负极。总的电势降低量(总电压)必然等于各段电势降低量之和。
因此,$U_{总} = U_1 + U_2 + \dots$。
类比法:水管水压模型**
**适合学生类型
形象思维强、对抽象物理量(电压)感到困难的学生。
操作:
1. 将电源比作水泵,提供总水压 $U$。
2. 将串联的用电器比作管道中的两个不同阻力的阀门或狭窄段。
3. 水流经过第一个阀门,水压下降 $U_1$;经过第二个阀门,水压再下降 $U_2$。
4. 问学生:水泵提供的总水压,是不是等于水流在两个阀门处损失的水压之和?
5. 结论:总水压 = 各段水压损失之和。同理,总电压 = 各部分电压之和。
实验探究法:数据归纳**
**适合学生类型
逻辑性强、喜欢动手操作、相信实证的学生。
操作:
1. 搭建串联电路(两个不同规格小灯泡 $L_1, L_2$)。
2. 让学生用电压表分别测量 $L_1$ 两端电压 $U_1$、$L_2$ 两端电压 $U_2$、电源两端电压 $U$。
3. 记录数据,计算 $U_1 + U_2$ 与 $U$ 的关系。
4. 更换不同规格灯泡,重复实验。
5. 引导学生发现规律:无论灯泡规格如何,$U$ 始终近似等于 $U_1 + U_2$(忽略导线电阻)。
微观机理法:电势降落**
**适合学生类型
理科基础扎实、喜欢探究本质、准备竞赛或拔高的学生。
操作:
1. 引入“电势”概念(高度类比)。
2. 画出串联电路的电势分布图:电源正极电势最高,负极最低。
3. 电荷从正极出发,经过 $L_1$,电势从 $V_A$ 降到 $V_B$,差值 $U_1 = V_A - V_B$。
4. 继续经过 $L_2$,电势从 $V_B$ 降到 $V_C$(负极),差值 $U_2 = V_B - V_C$。
5. 总电压 $U = V_A - V_C = (V_A - V_B) + (V_B - V_C) = U_1 + U_2$。
6. 强调这是数学上的恒等式,源于电势的连续性。