图为从硅晶圆上取下已制好的集成电路所需的芯片。如今，1 cm² 的集成电路就可以拥有几十亿甚至上百亿个电子元器件。稳定、高效、轻便的集成电路为人们的生活、科技带来了无限的可能。集成电路极为复杂，要研究集成电路，我们需先从认识简单电路开始。那么，电路元器件如何构成简单电路，电路工作中遵循哪些规律呢？

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 10–1  上海浦东陆家嘴的璀璨夜景

 

夜晚的上海浦东陆家嘴（图 10–1）灯光璀璨，美丽壮观。实现这些照明效果，需要使用各种各样的电路元器件搭建电路。

如图 10–2 所示是一些常见的电路元器件，自左至右依次为小型电动机、电感器、电容器、电阻器、三极管和二极管。如表 10–1 所示为电路中常见元器件的名称及符号。

图 10–2  常见的电路元器件

 

表 10–1  常见电路元器件的名称及符号

名称	图形符号	名称	图形符号	名称	图形符号
电源		电阻器		电容器
开关		可调电阻器		可变电容器
电灯		滑动变阻器		空心线圈
电动机		晶体二极管		铁芯线圈

 

各种元器件连接在一起形成电路（electric circuit）。初中我们已学过一个简单的电路由电源、用电器、开关、导线组成，如图 10–33 所示。其中电源提供电能；用电器消耗电能；导线提供电流通道，起到输送电能的作用；开关控制电路的通、断，若开关闭合，电路中即有电流通过。

为了简单起见，我们以金属导体为例讨论。如图 10–4 所示，在金属导体中，有“ 固定” 在晶体结构点阵上失去电子的原子，我们把它称为原子实。还有大量的自由电子，这些电子是金属导体内的自由电荷。一般情况下，金属导体中的自由电子大约以 10⁵ m/s 的速率做永不停息的无规则热运动，做热运动的自由电子向各个方向运动的机会均等，从宏观上看，不会形成电流。

若导体中存在电场，在电场力的作用下，导体中的自由电子获得与电场方向相反的加速度。自由电子在加速运动过程中和原子实频繁碰撞，持续加速受到阻碍，最终获得沿加

 

速度方向一定的速度，这一速度称为漂移速度，如图 10–5 所示。电子的漂移速度很小，比热运动的速度小许多个量级。但由于漂移速度的存在，使导体内的自由电子从整体上发生了逆电场方向的定向移动，便形成了和电场方向相同的电流。

物理学中规定，通过导体某一横截面的电荷量 Q 与所用时间 t 之比称为电流（electric current），用符号 I 表示，即

\[\color{#975F85} I = \frac{Q}{t}\]

在国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，符号为 A。

我们知道导体中的自由电荷是在电场力的作用下才发生定向移动的。正电荷在电场力的作用下从电势高处向电势低处运动，我们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，因此，沿着电流的方向电势逐渐降低。电流方向上的两点间存在电势差，这个电势差就是电路中的电压（voltage）。

 

初中时我们已经学过了两个用电器的串联或并联，当用电器的数目超过两个，用电器间的连接方式会比较复杂，可能既有串联又有并联。将用电器同时采用串联和并联的方式组合起来形成的电路叫做串联、并联组合电路。实际生活中大部分电路都是采用串联、并联组合电路的方式连接的。

 

示例  把阻值分别为 R₁ = 20 Ω、R₂ = 30 Ω、R₃ = 8 Ω 的三个电阻连接成如图 10–6 所示的组合电路，电路的总阻值为多少？若电源电压 U = 20 V，则闭合开关后，流过每个电阻的电流大小分别为多少？

分析：这个组合电路为 R₁ 与 R₂ 并联后再与 R₃ 串联。将 R₁、R₂ 按照并联关系等效为电阻 R′，则原电路可等效为如图 10–7 所示的 R′ 与 R₃ 的串联电路，这样就可以求解电路的总阻值了。可先将原电路等效为如图 10–7 所示的串联电路，然后再根据串并联电路特点逐步还原求解。

解：R₁ 与 R₂ 并联，则 R₁、R₂ 与等效电阻 R′ 之间的关系为

\[\frac{1}{{R'}} = \frac{1}{{{R_1}}} + \frac{1}{{{R_2}}}\]

因此                                                               \(R' = \frac{{{R_1}{R_2}}}{{{R_1} + {R_2}}}\)

又 R′ 与 R₃ 串联，因此电路中总电阻

\[\begin{array}{l}{R_总} = R' + {R_3}\\ \;\;\;\;\;= \frac{{{R_1}{R_2}}}{{{R_1} + {R_2}}} + {R_3}\\ \;\;\;\;\;= \left( {\frac{{20 \times 30}}{{20 + 30}} + 8} \right)\;\Omega \\ \;\;\;\;\;= 20\;\Omega \end{array}\]

 

闭合开关后，由欧姆定律得，电路中的总电流，即流过 R₃ 的电流

\[{I_3} = I = \frac{U}{{{R_总}}} = \frac{{20}}{{20}}\;{\rm{A}} = 1\;{\rm{A}}\]

设流过电阻 R₁ 的电流为 I₁，流过电阻 R₂ 的电流为 I₂，由于 R₁ 与 R₂ 并联，有

\[\frac{{{I_1}}}{{{I_2}}} = \frac{{{R_2}}}{{{R_1}}}\]

又                                                                  I₁ + I₂ = I = 1 A

则                                                           I₁ = 0.6 A，I₂ = 0.4 A

整章分析

学习目标

1．通过电流、电阻的微观解释、电池作用的分析和电路中的能量转化等内容，进一步深化运动与相互作用观念、能量观念。

2．通过电流、电阻的微观解释和螺旋测微器原理等内容体会模型建构的方法。通过复杂串联、并联组合电路的简化，体会等效替代的方法。通过电路元件的作用和闭合电路中电势升降的分析，运用类比的方法。

3．在研究金属导体的电阻影响因素的实验中，运用控制变量法设计实验方案，学会选择规格合适的器材测量金属导体长度、电阻。学会使用多用电表测量电学量。在教师的指导下学会制定测量电动势及内阻的方案，并能分析实验中存在的误差，提出减小误差的方法。进一步学会使用图像描述实验数据，理解图像在研究物理中的作用。

4．在实验过程中，培养严谨的科学态度。了解电学发展取得的成就和科学前沿，激发学习兴趣，培养科学研究志向。通过对家庭电路用电情况的调查，提升节约用电的意识，养成环保节能的习惯。

编写意图

课程标准中对本章内容的要求为：

3.2.1  观察并能识别常见的电路元器件，了解它们在电路中的作用。会使用多用电表。

3.2.2  通过实验，探究并了解金属导体的电阻写材料、长度和横截面积的定量关系。会测量金属丝的电阻率。

3.2.3  了解串、并联电路电阻的特点。

3.2.4  理解闭合电路欧姆定律。会测量电源的电动势和内阻。

3.2.5  理解电功、电功率及焦耳定律，能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象。

3.2.6  能分析和解决家庭电路中的简单问题，能将安全用电和节约用电的知识应用于生活实际。

本章内容为初中电路的延续，除了概念和规律上有所增加外，在知识的应用方面要求也更高。在本章的编写中特地增加了电流的微观解释及闭合电路中非静电力做功等内容，加深学生对物质及相互作用观念和能量观念的认识。本章在概念的建立和规律的探索中，通过动手实验、演绎推理等逐步深化学生对控制变量、等效替代和类比等方法的理解。本章中的学生实验较多，教材在编写时按照课程标准的要求，呈现了科学探究能力的递升。在测量性的实验中，强调器材操作能力的训练，在探究性实验中，则通过理论分析帮助学生形成实验方案，从而凸显了不同类型实验教学的育人功能。本章中的多用电表及家庭电路均考虑了实际的生产、生活情况，将符合现代技术发展的产品融人教材，不仅能激发学生的学习热情，也更好地体现了科学·技术·社会·环境的关系。

本章的核心概念为简单的串联、并联组合电路、电动势以及电功和电功率等，重点规律则为闭合电路欧姆定律。

本章的内容既与上一章电场与电荷的运动及其能量转化有着密切的关系，又是后续电磁感应、电磁振荡等电路部分的基础；是促进学生形成能量观念和培养科学探究能力的重要内容。

完成本章内容学习，共需要 10 课时。其中，第一节 2 课时，第二节 1 课时，第三节 1 课时，第四节 1 课时，第五节 2 课时，第六节 1 课时，第七节 1 课时，第八节 1 课时。

本章教材解读

芯片中包含了极为复杂的电子线路。芯片生产技术是我国当下需重点攻克的技术，芯片的生产也是我国的重要战略。

本章章首图一方面让学生感受前沿科技的日新月异，一方面以芯片技术发展为题进行爱国主义教育，激发学生从事基础科学研究的热情。

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本节编写思路

本节内容的编排除了体现课标 3.2.1、3.2.3 的要求外，同时复习初中所学电路知识，在此基础上拓展到串联、并联组合电路的学习。在初中的基础上，进一步加深对电学基本量的认识，并增加对电流、电阻的微观解释。这也与上一章的学习相呼应，进一步加强运动和相互作用的物理观念，实现学以致用。

正文解读

该图体现了现代化大都市与电的关系，电使我们生活的城市——上海的夜晚更漂亮。本节以该生活情景引入电路的学习。授课时也可以使用其他适宜的素材引入教学。

 

电路是由各种元件和器件组成的。虽然元件和器件的含义不同，但在这里不作严格区分，统一用元器件称谓。

教学时可向学生展示实物。

 

表 10 – 1 给出了常见电路元器件的名称及符号。教师引导学生认识元器件的同时，应强调符号的规范性，也可以进行适当的解释帮助学生理解性记忆，还可适当补充表中未列入的元器件符号。

 

图 10 – 3 所示的简单电路具有多重教学功能。既体现元器件的作用，又复习初中所学知识，更为后续深入学习做铺垫。

 

关于自由电荷定向移动形成电流的微观解释可详见本节资料链接。

 

此处“大家谈”的目的是引出电阻的存在。这个问题可以通过“拓展视野”的内容来回答和加深理解。

 

初中已经学过电流、电压和电阻这三个基本电学物理量，但这三者是学习电路的基础，因此高中教材又花了一定的篇幅对其进行深入介绍，特别是对电流和电阻的微观解释。这是上一章学习的应用，也体现高中阶段的学习特点。

 

开始串联、并联组合电路的学习之前，应回顾串联、并联电路的特点，做好铺垫。

 

在处理较复杂的电路时，可将某两个或某几个电阻用一个电阻等效替代，以使电路简化，然后运用初中所学的串联、并联的电路特点予以解决。本示例可使学生进一步掌握“等效替代”的物理思想。

 

可以让学生查阅集成电路相关资料，进行课堂交流。

问题与思考解读

1．参考解答：电阻、电容、二极管。

命题意图：从图片中提取信息，在具体情景中识别电路元器件。

主要素养与水平：物质观念（Ⅰ）。

 

2．参考解答：（1）石墨能导电，形成定向移动的微粒是电子

（2）金刚石是正四面体的结构，每个碳原子的周边连着四个碳原子，形成 4 个共价键，不存在能自由移动的电子，不能导电。

命题意图：拓展对电流形成原因的认识，体现学科的综合。

主要素养与水平：物质观念（Ⅰ）；运动与相互作用观念（Ⅰ）；模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。

 

3．参考解答：6.0 × 10⁴ A

命题意图：采用具体情景计算电流，增加对身边现象的科学认知。

主要素养与水平：运动与相互作用观念（Ⅰ）；模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅰ）。

 

4．参考解答：S₁、S₂ 均断开，24 V；S₁ 闭合、S₂ 断开，12 V；S₁ 断开、S₂ 闭合，8 V；S₁、S₂ 均闭合，6 V。

命题意图：提升利用串并联电路的特点分析解决电路问题的能力。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

 

5．参考解答：7 种，分别为 6 Ω，12 Ω，3 Ω，18 Ω，2 Ω，9 Ω，4 Ω。

命题意图：了解串并联电路电阻的特点，学会计算等效电阻。

主要素养与水平：模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。

资料链接

电场作用下自由电子的定向移动

在均匀直导线中取一横截面，设其面积为 S。当电场方向自左向右时，电子漂移运动的方向自右向左。如图 1 所示，设电子漂移速度为 v，则在时间 t 内通过截面 S 的电子就是原来在 S 右方，以 S 为底，vt 为高的圆柱体内的自由电子。设导体每单位体积内的自由电子数为 n（也叫电子数密度），则此圆柱体内的自由电子的总电荷量就是 q = neSvt。

这些自由电子通过 S 时形成的电流就是 I = q/t = neSv。

根据相关计算，电子漂移速度在 10⁻⁵ ~ 10⁻⁴ m/s的数量级！既然电子的漂移速度这么小，为什么当我们把电灯开关闭合时，电灯立刻就亮了呢？实际上，闭合开关的瞬间，电路中立刻建立了恒定电场，电场的传播速度极高，为光速，约为 3 × 10⁸ m/s。在电场的作用下，电路中各处的自由电子几乎同时开始定向移动，整个电路也就几乎同时形成了电流。所以开关一接通，电灯立刻就亮了。