初中物理 15 电流和电路：正负电荷、串联、并联

陈一男学习网站[ ChenYinan.com ] - 中国物理学会 - 中国院士 - GeoGebra - 物理基础

一、电荷——电现象的根本

电荷是物质携带的“电属性”，是产生电流、电路的基础，需从“电荷的种类、相互作用、摩擦起电”三个维度理解。

（1）电荷的种类与基本性质

两种电荷：自然界中只存在两种电荷，用摩擦起电的实验可区分：

1. 正电荷（+）：用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷（丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒失去电子，带正电）；

2. 负电荷（-）：用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷（毛皮摩擦橡胶棒时，橡胶棒得到电子，带负电）。

电荷的基本性质：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引（这是判断物体带电情况的核心依据，如用带正电的玻璃棒靠近某物体，若相互排斥，则物体带正电；若相互吸引，物体可能带负电或不带电——因为带电体有吸引轻小物体的性质）。

（2）摩擦起电与电荷守恒

摩擦起电的本质：并非创造了电荷，而是通过摩擦使电子从一个物体转移到另一个物体（失去电子的物体带正电，得到电子的物体带负电）。例如：干燥的头发与梳子摩擦，头发的电子转移到梳子上，梳子带负电，头发带正电，因此头发会随梳子“飘动”（异种电荷相互吸引）。

电荷守恒定律：电荷既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一个物体转移到另一个物体，或从物体的一部分转移到另一部分，在转移过程中，电荷的总量保持不变（初中阶段只需理解“摩擦起电是电子转移，总电荷不变”）。

（3）验电器——检验物体是否带电的工具

结构：由金属球、金属杆、金属箔（两片轻质金属片）组成；

工作原理：利用“同种电荷相互排斥”——若物体带电，接触金属球后，电荷会通过金属杆转移到两片金属箔上，使两片箔带同种电荷，相互排斥而张开；箔片张开的角度越大，说明物体带的电荷越多；

注意：验电器只能判断物体“是否带电”，不能直接判断带的是正电还是负电（需结合已知电荷的物体进一步判断，如用带正电的玻璃棒接触验电器，箔片张开；再用未知物体接触，若箔片张角变大，物体带正电；若张角变小，物体带负电）。

二、电流——电荷的定向移动

电流是电路中“电的流动”，需明确其“形成条件、方向规定、单位”，是理解电路工作的关键。

（1）电流的形成

微观本质：电荷的定向移动形成电流（注意：电荷无规则运动不能形成电流，必须“定向”——即朝同一方向移动）。

形成条件：

1. 存在自由电荷（能自由移动的电荷，如金属中的自由电子、酸碱盐溶液中的正负离子）；

2. 电路两端存在电压（电压是推动电荷定向移动的“动力”，如电池提供的电压）。

电流的方向：

规定：正电荷定向移动的方向为电流的方向（这是人为规定，与实际金属导体中“自由电子定向移动的方向相反”——因为金属中自由电荷是带负电的电子，电子从电源负极流向正极，而电流方向被规定为从正极流向负极）；

电路中电流的路径：在电源外部，电流从电源正极出发，经过用电器、开关等，回到电源负极；在电源内部，电流从负极流向正极（电源内部通过化学反应提供电压，推动电荷反向移动）。

（2）电流的单位与测量

单位：国际主单位是“安培”，简称“安”，符号为“A”；常用单位有毫安（mA，1mA=10⁻³A）、微安（μA，1μA=10⁻⁶A）（如手电筒工作时电流约0.2A，手机充电时电流约1A）。

测量工具：电流表（符号为“○A”），使用规则：

1. 串联接入电路：电流表必须与被测用电器串联（若并联，会造成短路，损坏电流表和电源）；

2. 电流“正进负出”：电流从电流表的正接线柱流入，从负接线柱流出（若接反，指针会反向偏转，可能损坏指针）；

3. 选择合适量程：根据被测电流大小选择量程（如被测电流约0.5A，选0~0.6A量程，分度值0.02A；若电流未知，先用0~3A大量程试触）；

4. 不能直接接电源两极：若电流表直接接在电源正负极之间（未经过用电器），会造成电源短路，电流过大，烧毁电流表和电源。

三、电路的基本组成与状态

电路是“电流流过的路径”，需明确其“组成部分、三种状态”，是分析串联、并联电路的基础。

（1）电路的基本组成（4个核心部分）

一个完整的电路必须包含以下4个部分，缺一不可：

1. 电源：提供电能的装置（将其他形式的能转化为电能，如干电池将化学能转化为电能，发电机将机械能转化为电能），是电路中电压的来源；

2. 用电器：消耗电能的装置（将电能转化为其他形式的能，如电灯将电能转化为光能和内能，电动机将电能转化为机械能）；

3. 开关：控制电路通断的装置（闭合开关，电路接通；断开开关，电路断开，如家庭电路中的电灯开关）；

4. 导线：连接电路各部分的导体（如铜导线、铝导线，用于传导电流，使电荷能在电路中定向移动）。

（2）电路的三种状态

1. 通路（闭合电路）：电路处处连通，电流能正常流过用电器，用电器工作（如闭合电灯开关，电灯发光，电路为通路）；

2. 断路（开路）：电路某处断开（如导线断裂、开关断开、用电器损坏），电流无法流通，用电器不工作（如电灯灯丝断了，电路断路，电灯不亮）；

3. 短路：不经过用电器，直接用导线将电源正负极连接起来的电路（极其危险）：

危害：短路时电路电阻极小，电流极大，会烧毁电源，甚至引发火灾（如用导线直接连接干电池正负极，电池会迅速发热、鼓胀，甚至爆炸）；

特殊情况：“局部短路”——用导线并联在某用电器两端，该用电器被短路（电流不经过该用电器，直接通过导线），其他用电器仍能工作（如串联电路中，用导线短路其中一个灯泡，该灯泡不亮，另一个灯泡仍能发光）。

四、串联电路与并联电路——电路的两种基本连接方式

串联和并联是电路最核心的两种连接方式，两者在“电流路径、用电器关系、开关作用”上有本质区别，需通过对比理解。

（1）串联电路

定义：将用电器“逐个顺次连接”起来的电路（电流只有一条路径，依次经过所有用电器）；

特点：

1. 电流路径唯一：电流从电源正极出发，经过第一个用电器，再经过第二个用电器……最后回到电源负极，无分支；

2. 用电器相互影响：一个用电器损坏（或断路），整个电路断路，所有用电器都不工作（如串联的两个电灯，若其中一个灯丝断了，另一个也不亮）；

3. 开关作用统一：无论开关接在电路的哪个位置（靠近正极、中间、靠近负极），都能控制整个电路的通断（开关无“局部控制”功能）；

4. 电流处处相等：串联电路中，通过每个用电器的电流大小相等（I₁=I₂=…=Iₙ，初中阶段需记住结论，无需推导）；

实例：节日里的小彩灯（一串彩灯中一个不亮，其他都不亮）、手电筒的电路（电池、开关、灯泡串联）。

（2）并联电路

定义：将用电器“并列连接”起来的电路（电流有两条或两条以上路径，每条路径对应一个用电器或一组用电器）；

关键概念：

1. 干路：电流从电源正极出发，未分支前的部分（或所有分支汇合后回到负极的部分）；

2. 支路：电流分支后，每条单独经过用电器的部分（每条支路对应一个“独立回路”）；

特点：

1. 电流路径多条：电流从电源正极出发，经过干路后分成两条或多条支路，每条支路经过一个用电器，最后所有支路汇合，通过干路回到电源负极；

2. 用电器互不影响：一条支路的用电器损坏（或断路），其他支路的用电器仍能正常工作（如家庭电路中，电灯和插座并联，电灯坏了，插座仍能给手机充电）；

3. 开关作用不同：

干路开关：控制整个电路的通断（闭合干路开关，所有支路用电器工作；断开则所有支路都不工作）；

支路开关：只控制所在支路的通断（如并联电路中，电灯支路的开关只控制电灯，不影响其他支路的插座）；

4. 各支路电压相等：并联电路中，每个支路两端的电压大小相等，且等于电源电压（U₁=U₂=…=Uₙ=U电源，初中阶段需记住结论）；

实例：家庭电路中的所有用电器（电灯、电视、冰箱、插座均并联）、教室里的日光灯（每盏日光灯并联，一个不亮，其他仍亮）。

（3）串联与并联电路的判断方法（3种常用方法）

1. 电流路径法（最核心）：从电源正极出发，沿着导线“走”电流的路径，若只有一条路径，为串联；若有两条或多条路径（有分支和汇合），为并联；

2. 用电器影响法：断开其中一个用电器，若其他用电器都不工作，为串联；若其他用电器仍工作，为并联；

3. 节点法（适用于复杂电路）：将电路中“用导线直接连接的点”视为同一个“节点”（导线电阻为0，节点间电势相等），若所有用电器的两端都分别连接在两个公共节点上，为并联；若用电器依次连接在不同节点间，为串联。

例题1：电荷的相互作用（判断带电情况） 题目：用带正电的玻璃棒靠近甲、乙两个轻质小球，甲球被吸引，乙球被排斥。下列说法正确的是（  ）

A. 甲球一定带负电  B. 甲球一定不带电  C. 乙球一定带正电  D. 乙球一定带负电

解析：根据“同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引”，且带电体能吸引轻小物体：乙球被带正电的玻璃棒排斥，说明乙球与玻璃棒带同种电荷，即乙球一定带正电（C正确，D错误）；甲球被吸引，有两种可能——甲球带负电（异种电荷吸引）或甲球不带电（带电体吸引轻小物体），因此甲球不一定带负电，也不一定不带电（A、B错误）。

答案：C

例题2：摩擦起电的本质（电子转移） 题目：干燥的天气里，用塑料梳子梳理干燥的头发，头发会随梳子飘动，且越梳越蓬松。下列说法正确的是（  ）

A. 梳子创造了电荷  B. 头发创造了电荷  C. 梳子和头发间发生了电子转移  D. 梳子和头发带同种电荷

解析：摩擦起电的本质是电子转移，不是创造电荷（A、B错误）；梳子与头发摩擦时，电子从头发转移到梳子上，梳子带负电，头发带正电（异种电荷），因此头发随梳子飘动（异种电荷吸引）；头发带正电后，同种电荷相互排斥，因此越梳越蓬松（D错误，C正确）。

答案：C

例题3：验电器的工作原理 题目：用一个带电体接触验电器的金属球，验电器的两片金属箔张开。下列说法能解释这一现象的是（  ）

A. 带电体吸引轻小物体  B. 同种电荷相互排斥  C. 异种电荷相互吸引  D. 电子发生了转移

解析：验电器的工作原理是“同种电荷相互排斥”——带电体接触金属球后，电荷转移到两片金属箔上，使箔片带同种电荷，相互排斥而张开（B正确）；A选项是带电体的性质，与箔片张开无关；C选项与排斥现象矛盾；D选项是电荷转移的过程，不是箔片张开的直接原因。

答案：B

例题4：电流的方向规定 题目：关于电路中电流方向的说法，正确的是（  ）

A. 电流的方向是自由电子定向移动的方向  B. 电流的方向是正电荷定向移动的方向

C. 在电源内部，电流从正极流向负极  D. 在电源外部，电流从负极流向正极

解析：电流的方向被规定为“正电荷定向移动的方向”（B正确）；金属导体中自由电荷是带负电的电子，电子定向移动方向与电流方向相反（A错误）；在电源外部，电流从正极流向负极（D错误）；在电源内部，电流从负极流向正极（C错误）。

答案：B

例题5：电流表的使用规则（判断错误） 题目：某同学用电流表测量电路中的电流，连接电路后发现电流表指针反向偏转，原因可能是（  ）

A. 电流表串联在电路中  B. 电流表的量程选大了  C. 电流从电流表的负接线柱流入  D. 电流表直接接在电源两极上

解析：电流表指针反向偏转的原因是“电流方向接反”，即电流从负接线柱流入，从正接线柱流出（C正确）；A选项是正确用法，不会导致指针反偏；B选项量程选大了，指针偏转角度小，不会反偏；D选项直接接电源两极，会造成短路，指针会剧烈偏转甚至损坏，不是反偏。

答案：C

例题6：电路状态的判断（短路的危害） 题目：如图所示的电路中，闭合开关后，可能发生的现象是（  ）

A. 电灯发光  B. 电流表损坏  C. 电源正常工作  D. 电灯和电流表都正常工作

（注：图中电路为“电源正极→电流表→导线→电源负极”，电灯未接入电路）

解析：由图可知，电路中电流表直接接在电源正负极之间，未经过电灯（用电器），属于电源短路；短路时电流极大，会烧毁电流表和电源，电灯因无电流通过而不发光（B正确，A、C、D错误）。

答案：B

例题7：串联电路的特点（用电器相互影响） 题目：将两个相同的电灯L₁和L₂串联在电路中，闭合开关后，发现L₁发光，L₂不发光。下列原因分析合理的是（  ）

A. L₁的灯丝断了  B. L₂的灯丝断了  C. L₂被短路了  D. 电源电压太低

解析：串联电路中用电器相互影响，若L₁灯丝断了，整个电路断路，L₁和L₂都不发光（A错误）；若L₂灯丝断了，电路也断路，两灯都不发光（B错误）；若L₂被短路，电流不经过L₂，只经过L₁，因此L₁发光，L₂不发光（C正确）；若电源电压太低，两灯都应发光但亮度较暗，不会出现一灯亮一灯不亮（D错误）。

答案：C

例题8：并联电路的特点（开关作用） 题目：如图所示的并联电路中，干路开关为S，支路开关分别为S₁（控制L₁）和S₂（控制L₂）。下列操作能使L₁发光、L₂不发光的是（  ）

A. 闭合S、S₁、S₂  B. 闭合S、S₁，断开S₂  C. 闭合S、S₂，断开S₁  D. 断开S、S₁，闭合S₂

解析：并联电路中，干路开关S控制整个电路，支路开关S₁控制L₁，S₂控制L₂：A选项三开关都闭合，L₁和L₂都发光（错误）；B选项闭合S（干路通）、S₁（L₁支路通），断开S₂（L₂支路断），因此L₁发光、L₂不发光（正确）；C选项闭合S、S₂，断开S₁，L₂发光、L₁不发光（错误）；D选项断开S（干路断），无论S₂是否闭合，两灯都不发光（错误）。

答案：B

例题9：串联与并联的判断（电流路径法） 题目：如图所示的电路中，从电源正极出发，电流经过开关后分成两条路径：一条经过L₁，另一条经过L₂，两条路径汇合后回到电源负极。该电路的连接方式是（  ）

A. 串联  B. 并联  C. 既有串联又有并联  D. 无法判断

解析：根据电流路径法，电流从正极出发后有两条分支路径（分别经过L₁和L₂），最后汇合回到负极，符合并联电路“电流多条路径”的特点，因此是并联电路（B正确，A、C、D错误）。

答案：B

例题10：电荷守恒定律（摩擦起电的总量） 题目：用毛皮摩擦橡胶棒，橡胶棒带了-0.0001C的电荷（负电荷）。下列说法正确的是（  ）

A. 毛皮带了+0.0001C的电荷  B. 毛皮带了-0.0001C的电荷

C. 橡胶棒得到了0.0001C的正电荷  D. 毛皮失去了0.0001C的负电荷

解析：摩擦起电是电子转移，橡胶棒带负电，说明它得到了电子（C错误）；根据电荷守恒，橡胶棒得到的电子数等于毛皮失去的电子数，因此毛皮失去负电荷，带正电，且电荷量与橡胶棒的负电荷量相等（A正确，B错误）；毛皮失去的是“负电荷（电子）”，电荷量为0.0001C，不是失去“正电荷”（D错误）。

答案：A

例题11：电路的基本组成（判断完整电路） 题目：下列各组元件中，能组成一个完整电路的是（  ）

A. 电源、用电器、导线  B. 电源、用电器、开关

C. 用电器、开关、导线  D. 电源、用电器、开关、导线

解析：完整的电路必须包含电源（提供电能）、用电器（消耗电能）、开关（控制通断）、导线（连接电路）四个部分，缺一不可（D正确，A缺少开关，B缺少导线，C缺少电源）。

答案：D

例题12：串联电路的电流特点（电流处处相等） 题目：将L₁和L₂串联在电路中，用电流表分别测量电路中A、B、C三点的电流（A点在L₁左侧，B点在L₁和L₂之间，C点在L₂右侧）。若A点电流为0.2A，则B点和C点的电流分别为（  ）

A. 0.2A、0.2A  B. 0.1A、0.1A  C. 0.2A、0.4A  D. 0.4A、0.2A

解析：串联电路中“电流处处相等”，即电路中各点的电流大小相同，与测量位置无关；因此A、B、C三点的电流均为0.2A（A正确，B、C、D错误）。

答案：A

例题13：并联电路的电压特点（支路电压等于电源电压） 题目：将L₁和L₂并联在电压为3V的电源两端，下列说法正确的是（  ）

A. L₁两端的电压为3V，L₂两端的电压为0V  B. L₁两端的电压为0V，L₂两端的电压为3V

C. L₁和L₂两端的电压都为3V  D. L₁和L₂两端的电压之和为3V

解析：并联电路中“各支路电压相等，且等于电源电压”，因此L₁和L₂两端的电压都等于电源电压3V（C正确，A、B、D错误）。

答案：C

例题14：电路故障分析（串联电路断路） 题目：串联电路中有电源、开关、两个电灯L₁和L₂，闭合开关后两灯都不亮。用一根导线分别连接L₁的两端，发现两灯仍不亮；再用导线连接L₂的两端，发现L₁发光。则电路的故障是（  ）

A. L₁断路  B. L₂断路  C. L₁短路  D. L₂短路

解析：闭合开关两灯都不亮，说明电路断路（若短路，至少有一灯发光）；用导线连接L₁两端（短路L₁），两灯仍不亮，说明断路位置不在L₁（若L₁断路，短路后电路应接通，L₂发光）；用导线连接L₂两端（短路L₂），L₁发光，说明电路其他部分正常，断路位置在L₂（B正确，A、C、D错误）。

答案：B

例题15：验电器的拓展应用（判断电荷种类） 题目：已知验电器带正电，用一个未知带电的物体接触验电器的金属球，发现验电器的金属箔张角变大。则未知物体带的电荷是（  ）

A. 正电荷  B. 负电荷  C. 不带电  D. 无法确定

解析：验电器带正电，金属箔因带正电相互排斥而张开；接触未知物体后张角变大，说明验电器带的正电荷增多（同种电荷相互排斥的力更大），因此未知物体带正电（正电荷转移到验电器上，使箔片正电荷增多，张角变大）（A正确）；若物体带负电，会中和验电器的正电荷，张角变小；若物体不带电，会被验电器吸引，转移部分正电荷，张角也变小（B、C、D错误）。

答案：A

例题16：电流的形成条件（判断是否有电流） 题目：下列情况中，电路中会产生电流的是（  ）

A. 有自由电荷，但电路断开  B. 电路闭合，但没有自由电荷

C. 电路闭合，且有自由电荷，两端有电压  D. 有自由电荷，电路闭合，但两端无电压

解析：电流的形成需要两个条件：有自由电荷、电路两端有电压（且电路闭合）：A选项电路断开，无电流（错误）；B选项无自由电荷，电荷无法移动，无电流（错误）；C选项满足两个条件，有电流（正确）；D选项两端无电压，电荷无定向移动的动力，无电流（错误）。

答案：C

例题17：并联电路的实际应用（家庭电路） 题目：家庭电路中，各个用电器的连接方式是（  ）

A. 全部串联  B. 全部并联  C. 有的串联有的并联  D. 无法确定

解析：家庭电路中，各用电器需“互不影响”（如电灯坏了，电视仍能工作），且每个用电器两端的电压需等于电源电压（220V），因此所有用电器都采用并联连接（B正确，A、C、D错误）。

答案：B

例题18：电路连接的设计（满足特定要求） 题目：请设计一个电路，要求：开关S₁控制整个电路，开关S₂只控制电灯L₂，L₁和L₂能独立工作。则L₁和L₂的连接方式是（  ）

A. 串联  B. 并联  C. 串联或并联  D. 无法确定

解析：“L₁和L₂能独立工作”说明两灯互不影响，符合并联电路的特点；串联电路中两灯相互影响，无法独立工作（A错误）；开关S₁作为干路开关控制整个电路，开关S₂作为L₂的支路开关控制L₂，符合并联电路的开关作用（B正确，C、D错误）。

答案：B

例题19：摩擦起电的现象解释（生活实例） 题目：冬天，穿化纤衣服容易产生“静电”，脱衣服时会听到“噼啪”声，甚至看到火花。下列解释正确的是（  ）

A. 化纤衣服创造了静电  B. 脱衣服时化纤衣服和身体发生摩擦，产生了电荷转移

C. 化纤衣服带的电荷是正电荷  D. 脱衣服时电荷消失，产生火花

解析：“静电”是摩擦起电的结果，脱衣服时化纤衣服与身体摩擦，电子发生转移，使衣服和身体带异种电荷（B正确）；摩擦起电不是创造电荷（A错误）；化纤衣服带的电荷可能是正电或负电，取决于电子转移方向（C错误）；脱衣服时，异种电荷相互中和，产生火花，电荷并未消失（D错误）。

答案：B

例题20：串联与并联的综合判断（复杂电路） 题目：如图所示的电路中，电源正极出发，电流经过开关S后，分为两条路径：一条经过L₁和S₁，另一条经过L₂，两条路径汇合后回到电源负极。下列说法正确的是（  ）

A. L₁和L₂串联  B. S₁控制整个电路  C. 断开S₁，L₁不发光，L₂发光  D. 闭合S₁，L₁和L₂都不发光

解析：电流有两条路径（L₁支路和L₂支路），因此L₁和L₂并联（A错误）；S₁在L₁支路中，只控制L₁，不控制整个电路（B错误）；断开S₁，L₁支路断路（L₁不发光），L₂支路仍通路（L₂发光）（C正确）；闭合S₁，L₁和L₂支路都通路，两灯都发光（D错误）。

答案：C

物理基础