辨析迷惑電路 區(qū)分串聯(lián)并聯(lián)

云南師范大學物理與電子信息學院（650500） 孔祥梅 徐曉梅

一、問題提出

《義務(wù)教育物理課程標準（2011 年版）》中對初中生在電路方面的要求是會看、會畫簡單的電路圖；會連接簡單的串聯(lián)電路和并聯(lián)電路；說出生產(chǎn)、生活中采用簡單串聯(lián)和并聯(lián)電路的實例。不難看出，課程標準對電路的要求主要是針對簡單電路，但在實際學習中，簡單電路也具有迷惑性。學生在學習了人教版教材第十五章第三節(jié)“串聯(lián)和并聯(lián)”后，雖然對簡單電路能進行連接、分析以及判斷，但是對稍微復雜的且具有迷惑性的電路圖的分析判斷有困難。針對串、并聯(lián)電路在教材上安排的內(nèi)容深度與實際上出現(xiàn)的考試內(nèi)容之間的差距，教師在教學過程中需要適當補充知識或剖析一些典型例題，以鍛煉學生的思維，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。

下面以一道習題為例，通過理論分析及實驗操作，幫助學生辨析串并聯(lián)的“迷惑”電路。

例題：判斷圖1 中小燈泡L1、L2、L3的連接方式是串聯(lián)還是并聯(lián)。

圖1 例題的電路圖

本題主要是基于學生學過串聯(lián)電路和并聯(lián)電路之后，對串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的定義以及連接方式有了一定的理解，并對簡單電路具有一定的分辨能力而出的。該題會造成學生的思維困惑，而形成困惑的主要原因是題目所呈現(xiàn)的電路與學生在實際學習中所遇到的電路有差距，學生無法準確分析電流的流向。

說明：學生在對本題進行電路分析時，很可能出現(xiàn)兩種判斷，即L1和L2被導線1 短路或L2和L3被導線2短路。學生直觀觀察電路圖，除L1、L2以及L3三個小燈泡外，還觀察到導線1 和導線2 在電路中的特殊位置以及對電路的影響，因此不能準確分析電路。

二、問題解決

（一）理論分析

1.利用電流流向分析電路。當學生看到該電路圖時，應(yīng)從電源開始分析，在圖2 中，我們可以看到電流從電源的正極出發(fā)，經(jīng)過a點時分成兩個方向，一個是經(jīng)由L1到達b點，沿無阻礙作用的導線2 流向電源的負極，形成閉合環(huán)路（虛線所示）；另一個是流向?qū)Ь€1，經(jīng)由c點又分別流向L2和L3，經(jīng)由L2的電流到達b點后經(jīng)由導線2流向電源負極形成閉合環(huán)路（點劃線所示），而經(jīng)由L3的電流直接流向電源負極形成閉合環(huán)路（點線所示）。因此，我們可以在圖2 中看到三個閉合環(huán)路，所以判斷該電路圖為并聯(lián)電路。

圖2 電流方向

該思維的主要困惑點是電流在a、b、c點時的流向分析。該分析方式采用單一電流流向的分析法，是上一節(jié)內(nèi)容“電荷的定向移動形成電流”這個定義在電路中的實際運用。在該電路中，閉合電路產(chǎn)生的電流從電源的正極流向負極，當遇到分支時，每條支路都會有電流流過，形成能夠使用電器工作的電路，即通路。因此，在實際教學中，判斷電路是串聯(lián)還是并聯(lián)常用的一種方法是根據(jù)電流流動形成閉合電路。

2.利用正負電荷流向進行雙向分析

與上述分析相似，依據(jù)閉合電路電流從電源正極流出回到電源負極，接下來的分析是在電源處兵分兩路：一路是正電荷運動（用實線箭頭表示），另一路是負電荷運動（用點線箭頭表示）。正電荷從電源正極出發(fā)，經(jīng)由a點分別流向?qū)Ь€1和L1，正電荷到達b點時流向?qū)Ь€2；通過導線1的正電荷到達c點時，分別流向L2和L3。負電荷從電源負極出發(fā)，經(jīng)由d點分別流向?qū)Ь€2 和L3，通過L3的負電荷到達c點時流向?qū)Ь€1，通過導線2 的負電荷到達b點時，分別流向L1和L2。通過觀察圖3 中正負電荷流向，我們可以看出在L1、L2、L3分別有正負電荷流動形成的環(huán)路，因此判斷該電路為并聯(lián)電路。

圖3 正負電荷流向圖

該分析是通過正負電荷的雙向流動進行電路分析。在該電路中，當同一用電器兩端存在相向而行的正負電荷時，證明該支路為通路。同時該方式也能讓學生知道用電器的正常運行是因為兩端存在不同的正負電荷差，為后續(xù)學習電壓做好鋪墊。因此，在實際教學中，判斷電路是串聯(lián)還是并聯(lián)時，可以用雙向電荷分析，這樣有利于學生分析復雜電路。

在實際教學中進行理論分析時，可以將兩種理論分析思路結(jié)合起來。在學生剛開始學習電路知識時，可以基于電流從電源正極經(jīng)過導線、開關(guān)、用電器后流至電源負極的方法分析，通過該方法讓學生加深對電流流向以及通路定義的理解。隨后通過正負電荷的雙向流動做進一步的電路分析，讓學生對電源內(nèi)部的電荷流向有更清晰的理解，同時也可以為后續(xù)電壓的學習與理解做好鋪墊。

（二）實驗分析

1.利用虛擬實驗軟件進行直觀分析

為了便于學生在腦海中想象電流或電荷的流動，同時還能進行直觀的電流分析，教師可以采用NB 物理虛擬實驗軟件進行電路分析。圖4 是NB物理實驗電學部分的部分元器件，同樣也是初中常用的電學元件。利用該軟件我們既可以幫助學生實時了解不同電路圖的連接情況以及閉合電路之后會發(fā)生的現(xiàn)象，也可以減少電學元器件的損壞，更重要的是幫助學生進行直觀的電路、電流、電壓分析。同時在該軟件中進行電路連接，既可以直觀觀察電流流向，這對學生分析電路圖有很大的幫助，還可以幫助學生將電路圖轉(zhuǎn)成實物圖。

在本例題的分析中，教師需要分析電路中電流的流動情況，根據(jù)電路圖在畫布上進行電路連接，運用NB物理虛擬實驗軟件連接上例中的電路圖得到如圖5所示的實物連接圖。

連接如圖5 所示的電路圖之后，在分析之前，先對比電路圖與實物連接圖，看兩圖是否一致，保證以下分析是建立在例題的基礎(chǔ)上。隨后閉合開關(guān)S1，學生可以看到導線中的電流流向是否一致。通過觀察圖6，可以看出形成三個閉合環(huán)路。因此可以判斷該電路為并聯(lián)電路。

圖6 虛擬實驗軟件中電路圖的實物連接圖

該分析是通過虛擬實驗軟件進行電路連接，來分析電流的流動。理論分析思路是利用電流分析以及正負電荷流向分析，但需要學生想象，而該分析對電流的直觀分析有利于學生在腦海中形成電流流向圖，通過觀察電路圖可以發(fā)現(xiàn)干路和支路電流大小不一。因此虛擬實驗軟件在電學部分的應(yīng)用不僅對該例題具有分析作用，對后續(xù)其他電路的分析也具有一定的積極作用。

2.利用真實實驗操作分析

學生連接完成電路圖（如圖7 所示），在分析之前，先對比電路圖與實物連接圖，看兩圖是否一致，保證以下分析是建立在例題的基礎(chǔ)上。在實驗操作過程中，采用鱷魚夾進行導線連接，通過斷開連接點觀察各個小燈泡的情況。閉合開關(guān)，當取下導線1 時，L1亮；當取下導線2 時，L3亮；當取下導線3時，L2、L3亮；當取下導線4時，L1、L2亮；當取下導線1和導線2時，L1、L2、L3全亮；當取下導線3和導線4時，L2亮。通過斷開連接點觀察小燈泡的發(fā)光情況，可以判斷出該電路為并聯(lián)電路。

圖7 電路圖的實物連接圖

該分析是通過實物連接電路的方式，依據(jù)導線在串聯(lián)與并聯(lián)電路中的作用不同進行分析的。在串聯(lián)電路中，任何一條導線斷開都會導致整個電路斷開；在并聯(lián)電路中，一個支路電流斷開不影響另一支路的電流流動。通過鱷魚夾取下導線，根據(jù)小燈泡的明暗判斷電路的連接方式。實物連接電路既可以幫助學生進行電路分析，也可以幫助學生提升動手能力。

在實際教學中進行實驗分析時，可以將虛擬實驗與實物實驗相結(jié)合。將學生分成兩人一組，分組進行實驗，讓學生對該電路圖進行分析。一位學生采用虛擬實驗進行連接分析，另一位學生進行實物連接分析，最后兩位學生進行討論、綜合并得出結(jié)論。這既符合新課標提出的合作學習要求，又可以幫助學生在腦海中建立電路圖，同時也能提升學生的動手操作能力。

三、小結(jié)

理論分析是建立在學生具備相應(yīng)電學知識之上的對電路連接方式的分析判斷；實驗分析在培養(yǎng)學生動手能力的同時以理論為基礎(chǔ)進行電路連接方式的分析判斷。而對串并聯(lián)電路的區(qū)分，教師既可以采用理論分析方法判斷，也可以采用實驗分析方法判斷。

但當電路復雜且具有迷惑性時，既可以用理論分析的兩種思路進行單一分析（通過電源的電流流向進行電路分析；通過正負電荷的雙向流動進行電路分析），也可以將兩種理論分析方法相結(jié)合，讓學生對電源內(nèi)部的電荷流向有更清晰的理解，同時為后續(xù)電壓的學習與理解做好鋪墊。

采用實驗分析法分析電路時，既可以將實驗分析的兩種思路進行單一分析（通過虛擬實驗對電流的直觀觀察，在腦海中形成電流流向圖，通過觀察電路圖發(fā)現(xiàn)干路和支路電流大小不一，或通過實物連接電路的方式，依據(jù)導線在串聯(lián)與并聯(lián)電路中的作用不同：在串聯(lián)電路中，任何一條導線斷開都會導致整個電路斷開；在并聯(lián)電路中，一條支路電流斷開不影響另一支路的電流流動），也可以將兩種實驗分析方法相結(jié)合，幫助學生在腦海中建立電路圖，同時提升學生的動手操作能力。

電路分析也可將兩種分析方式相結(jié)合，在進行理論建構(gòu)的同時，輔以直觀的實驗方法或虛擬實驗方法進行觀察。尤其是針對電學部分的題目，理論與實驗相結(jié)合的分析方式既便于學生直觀看到電流流向，也有利于學生進行知識建構(gòu)，易于達到教學目的。