串並聯電路電壓規律實驗指南

物理初級閱讀時間: 3 分鐘

概述

電壓是電路中兩點之間的電位差。在不同連接方式下，各部分電壓與總電壓的關係截然不同。本實驗將通過實時電壓表監測，幫助你探索串聯電路的分壓作用和並聯電路的等壓特性。

背景知識

1845年，德國物理學家基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）年僅21歲時提出了著名的基爾霍夫電壓定律（KVL）：在任何閉合迴路中，電壓升降的代數和為零。這一定律直接奠定了串聯電路分壓和並聯電路等壓規律的理論基礎。在電報通信興起的時代，工程師們利用串聯分壓原理設計長距離信號傳輸電路，利用並聯等壓特性確保每個節點獲得穩定電壓。時至今日，這些規律仍是電子電路設計的基石。

核心概念

端電壓

U

電源或電路元件兩端的電壓。在模擬中，由電源電壓滑塊直接控制總電壓。

分壓作用

U_n \propto R_n

在串聯電路中，總電壓被分配到各個電阻。電阻越大，分得的電壓越多。

等壓特性

U_1 = U_2 = U

在並聯電路中，各支路兩端的電壓相等，且都等於總電壓。

公式與推導

串聯電壓規律

U = U_1 + U_2

串聯電路中，總電壓等於各部分電壓之和。能量在通過每個電阻時都會逐級降低。

並聯電壓規律

U = U_1 = U_2

並聯電路中，各支路兩端的電壓相等，且等於電源電壓。

實驗步驟

1
設置串聯電路
在面板選擇「串聯電路」。初始時兩電阻均為 $10\Omega$ ，你可以將 $R_2$ 調整為 $20\Omega$ 或其他值。閉合開關，觀察三個電壓表 $U$ 、 $U_1$ 和 $U_2$ 的示數。此時 $U_1$ 和 $U_2$ 是否滿足相加等於 $U$ ？
2
探究阻值對分壓的影響
在串聯模式下，嘗試改變 $R_1$ 或 $R_2$ 的阻值。你會發現：電阻越大的部分，其電壓表示數越____？這說明串聯電路具有按電阻比例分配電壓的特性。
3
切換並聯電路
將電路切換為「並聯電路」。注意觀察 $R_1$ 和 $R_2$ 兩端的電壓表示數。即使兩支路的電阻值設為不同，它們的電壓是否保持一致？
4
改變總電壓
調整電源電壓滑塊。觀察並聯電路中各支路電壓如何隨總電壓變化。思考：各支路電壓與電源電壓之間存在怎樣的關係？

學習目標

理解串聯電路中總電壓與各部分電壓的加和關係
掌握並聯電路各支路電壓相等的物理特性
能根據電阻比例預測串聯電路的分壓數值
學會使用虛擬電壓表測量電路中的電位差

生活應用

分壓電路：電子設備中常用兩個電阻串聯來獲得一個較低的參考電壓
家庭插座：所有電器並聯在 220V（或110V）電源上，確保每個電器都能獲得額定電壓
電壓表量程擴展：在表頭上串聯一個大電阻，使其能夠測量更高的電壓

常見誤區

誤區

串聯電路裡，所有電阻兩端的電壓都應該相等

正解

錯誤。只有當串聯的電阻阻值相等時，電壓才平分。電阻不同，電壓分配就不同。

誤區

並聯電路中，電阻越大的支路，電壓越大

正解

錯誤。並聯電路各支路電壓完全相等，與電阻大小無關。電阻只影響該支路的電流。

準備好了嗎？

現在你已經了解了基礎知識，開始動手實驗吧！

開始實驗開始練習

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