家里的吊灯、台灯和冰箱都接在同一套供电线路上。关掉台灯,冰箱不会跟着停;可一串旧式小彩灯里只要有一只灯泡断路,整串灯却可能全灭。明明都是“把用电器接起来”,为什么结果完全不同?再往前一步:一只只能承受很小电流的表头,为什么加上一个电阻,就能测很大的电压或电流?
这些现象背后只有两条主线:先看电流有几条路可走,再看每一段电路两端连接到哪些节点。本章会从这两条主线出发,建立串联、并联与混联电路的基本规律,再把它们用于电表改装。

本章把外部加在一段电路两端的电压视为已知,重点研究电阻怎样连接以及电流如何分配。电源内部发生什么、路端电压为何会随电流改变,留到第 11 章;伏安法测电阻、仪器选择和数据处理留到第 9 章。
把两个电阻首尾相接。电荷通过第一个电阻后,只能继续通过第二个电阻。你可能会觉得,小电阻让电荷“走得快”,大电阻让电荷“走得慢”,于是两处电流会不同。可如果前后电流真的长期不同,中间连接点就会不断积累或流失电荷,局部电势与电场也会随之改变,这就不是稳定电流了。
稳定状态下,只有一条通路意味着连接点既不能持续只进不出,也不能持续只出不进,所以各处电流必须相等。几个导体依次首尾相连时,它们构成串联电路。对 ,有
从起点到终点经历的总电势降低,等于各部分电势降低之和,所以
再对每个定值电阻使用 ,可得串联电路的等效电阻
这里的“等效”不是说原来的电阻消失了,而是说从这段电路的两个端点向里看,用一个 替代整组电阻后,端口电压与总电流的关系不变。

串联时 ,于是
这就是串联分压规律:电阻越大,分到的电压越大。最容易混进来的错误,是把“电阻大,电流小”搬到这里;那句话只适合比较两端电压相同的不同电阻。串联的两个电阻里,电流本来就相同,不能再按阻值给它们分出不同电流。
所有电阻均为正值时,串联总电阻大于其中任意一个电阻。若有 个相同电阻 串联,总电阻为 。某一个串联电阻增大而连接方式不变时,总电阻也增大。
用一组数值把这个陷阱拆开:、 串联在 的恒定电压两端。不要按“电阻大,电流小”给两只电阻分配电流;整条通路的总电阻是 ,所以电流只有一个值,。于是 两端电压为 。若直接按 分压,也会得到同样结果。
放到高考复习里,这类题最常见的失分点是把“串联同电流”和“同电压下电流与电阻成反比”混在一起。判断连接关系后,先把共同量写在纸上:串联先写同电流,并联才写同电压。
只有一条路时,连接点不能持续积累电荷;一旦导线分岔,电流可以分开走,共同量也会随连接关系一起改变。
两只灯泡分别接在同一对接线柱之间。较亮的一支电流可能较大,较暗的一支电流可能较小。有人便顺手猜:“电流不同,两端电压也一定不同。”问题在于,两条支路的起点接在同一个节点,终点也接在另一个共同节点。理想导线内电势处处相同,同一对节点之间的电势差只有一个值,不会因为选择了不同路径就变成两个答案。
几个导体的一端接在同一个节点,另一端也接在另一个共同节点,这种连接叫作并联。各支路两端电压相等:
电流到达分支节点时,总电流等于流入各支路电流之和:
把 代入,可得
两个电阻并联时,常写成

两支路电压相同,所以
并联分流时,电流之比与电阻之比相反:小电阻分到大电流,大电阻分到小电流。若 个相同电阻 并联,等效电阻为 。
并联结果还有一个很实用的范围自检:可供电流通过的路径更多,所以正电阻并联的等效电阻一定小于其中最小的支路电阻。算完若得到比各支路都大的数,不必往后算,前面一定出了错。
拿 与 并联在 两端检验这些关系。共同电压已经确定,两支路电流分别是 和 ;总电流为 ,因此等效电阻为 。如果再并联一只正电阻,倒数和继续增大,等效电阻会进一步减小。
复习题里常把“增加电阻”说得很模糊:把一只电阻串入原电路,总电阻增大;把一只电阻并到原电路两端,总电阻减小。物体还是那只电阻,连接动作不同,结论就相反。下一步要解决的是:图画得再绕,怎么认出它到底接在哪两个节点之间。
要把“阻值增大”和“增加一条支路”分开。在连接关系固定、其他电阻不变,而且被改变的正电阻确实参与端口导电时,任一电阻的阻值增大,整段串并联网络的等效电阻也增大:串联层直接看阻值之和,并联层可由倒数和判断,再逐层传递。可若是在原网络上新增一条并联支路,连接关系已经改变,等效电阻反而减小。被理想导线短路或处在断路支路中的电阻不参与当前端口导电,不能硬套这个推论。
复杂电路图里,两个电阻可能画得平行,却没有接在同一对节点上;另两个电阻画得一上一下,电流却只能依次通过。只凭“图像像不像”判断串并联,很容易被导线的弯折骗到。
电路的骨架是连接关系,不是几何形状。理想导线连接且中间没有元件隔开的点,属于同一个等电势节点;导线跨越但没有连接点标记时,通常不算相连,仍要服从题图的规范标注。面对混联电路,可以这样逐层整理:
先把由理想导线直接连通的点标成同一个节点。导线画得长、短、弯、直都不改变节点关系。
再看每个电阻接在哪两个节点之间。若两个电阻跨接在同一对节点之间,它们并联。
若两个电阻共用的中间节点没有其他支路接入,电流只能依次流过它们,它们串联。
每化简一层,就把这一组替换成等效电阻并重新标节点,直到只剩一个端口等效电阻。

理想导线跨接在某个电阻两端时,这个电阻两端电压为零,被导线短路;断开的开关所在支路不能形成持续电流,是断路。两种情况都会先改变连接关系,不能把原图里的每一只电阻机械地塞进串并联公式。
例如, 与 并联后,再与 串联。并联部分等效为 ,全电路等效为 。若这段电路两端加 ,串联干路电流为 ; 电阻分得 ,并联部分分得 ,两支路电流分别为 与 ,相加恰好回到 。
这里可以用两个判断检查自己:两个电阻有一个公共连接点,是否就一定串联?两个电阻在图上上下并排,是否就一定并联?答案都是否定的。串联不仅要有公共连接点,还要求该节点没有分支;并联则要求两端分别接在同一对节点上。与其看图形姿势,不如逐个写清“电流有没有岔路”“元件接在哪两个节点”。
在高考电路化简中,真正的给分点往往不是最后那次除法,而是等效关系写对了。碰到开关变化、导线跨接或电表接入,先重画等效图,再列式,比盯着原图硬算稳得多。电表正是会改变连接关系的特殊元件,下面先看看理想电表为何有近乎相反的接法。
想测一只电阻两端的电压,若把电压表串在电路里,电流几乎过不去;想测通过电阻的电流,若把电流表并在电阻两端,又可能让大量电流绕过原电阻。测量工具并不是“站在旁边看”,它一旦接入,就参与了电流的分配。
理想电流表的内阻为零,接入时相当于一段理想导线;为测量某支路电流,它必须与该支路串联。理想电压表的内阻为无穷大,接入时相当于断路;为测量两个节点间的电压,它必须与被测部分并联。

题目说“电表均为理想电表”时,可以在判断连接关系时把理想电流表看成导线、理想电压表看成断路。但这只是等效分析,不能说“电流表两端一定没有电流”或“电压表两端一定没有电压”:理想电流表可以有电流而电压为零,理想电压表可以有电压而电流为零。
实际电流表内阻 虽小却不为零,串联接入后会使该支路总电阻增大;只有当 远小于接表前该支路的等效电阻时,这种改变才可以说“很小”。实际电压表内阻 虽大却不是无穷大,并联接入后会分走电流;只有当 远大于被测部分电阻 时,分流和对原电路的扰动才较小。这就是电表的或。
若电表内阻不能忽略,就必须把它当作普通电阻放回网络。电压表与被测电阻并联,使该部分等效电阻减小;电流表与被测支路串联,使该支路电阻增大。不能一边说“内阻不可忽略”,一边又把电表从电路图上擦掉。
比值能把“误差小不小”说得更准确。电压表与 并联时,在共同电压下有 ; 越大,电压表分走的电流相对越少。若一只电阻 单独接在恒定端电压下,串入电流表前后电流之比为 ; 越小,电流改变越小。题目不给出足够大的或足够小的比值时,不能只凭“电压表内阻大、电流表内阻小”就宣布影响可以忽略。
这个条件并非多余的修饰。两只 电阻串联在 两端,未测量时每只分得 。若用内阻同为 的电压表测第二只电阻, 与 的比值只有 1,负载效应显然不能忽略。电压表与第二只电阻并联后,这一部分等效为 ,再与第一只 串联,所以示数为
这只有 ,小于未测量时的 。高考题若特别强调“电表内阻不能忽略”,通常就是提醒你把电表作为电阻参与串并联化简;若说“理想电表”,再使用零内阻或无穷大内阻的极限模型。
实际电表为何能做到一个内阻很大、一个内阻很小?答案要从它们共同的核心——小量程电流表,也就是表头——开始。
一只表头的指针偏到刻度尽头时,有人说它“承受了最大电压”,也有人说它“承受了最大电流”。这两句话描述的是同一满偏状态的两个侧面。
小量程电流表的线圈有电阻,称为表头内阻,记为 。使指针恰好达到满刻度的电流叫满偏电流,记为 ;此时表头两端的电压叫满偏电压,记为 。三者满足
表头本质上先感受流过线圈的电流。改装电表的核心任务,是在被测总量已经较大时,仍让通过表头的电流不超过 。

量程表示仪表能够按刻度测量的最大值;内阻表示电表接入电路后本身对电流的阻碍。二者有联系,却不是同一个物理量。满偏是正常刻度的上限,不等于线圈已经损坏;但超过量程会使表头电流超过 ,可能造成指针猛烈撞限位或线圈过热。
在默认线性表头模型中,指针偏转格数与表头电流成正比。改装不会改变表头本身的 和 ,改变的是外部网络如何分担电压或电流,以及整只新电表的量程和内阻。
例如,某表头 、,它的满偏电压只有
若直接把它接到 两端,会远超满偏状态,不能正常测量。
复习中要先统一单位:毫安先化为安培,再与欧姆相乘。漏掉 会让后面分压电阻差一千倍。怎样让 中只有 落在表头上?这正是串联分压电阻要做的事。
继续使用刚才的表头。若希望待测电压达到 时指针恰好满偏,表头自己只能承受 ,剩下的 必须由另一个元件承担。要让这个元件和表头通过相同电流,最自然的连接就是串联。
把电阻 与表头串联。新电压表达到量程上限 时,整个串联支路的电流恰为 ,因此
所以所需分压电阻为
若把量程扩大倍数记为 ,利用 ,还可写成
改装后电压表的内阻为

刚才的数据给出 ,改装后总内阻 。满偏时表头分得 ,串联电阻分得 ,相加正好为 。
注意两个陷阱。第一,公式算的是外加分压电阻 ,要从总内阻中减去原有 ;第二,电压表量程越大,在同一表头下所需串联电阻越大,改装后的总内阻也越大。目标量程若不大于 ,就不属于这里的“扩大量程”模型。
因此,同一表头分别做成 和 两个量程时, 挡需要更大的串联电阻。若测同一个不超过 的电压, 挡的指针偏转比例更大,读数更容易分辨; 挡虽然安全,指针却只走过较小的一段刻度。
高考电表改装题的给分链条通常是:先写满偏时表头电流为 ,再写总电压由表头与分压电阻共同承担,最后求电阻。若只背 而没认出 ,换一个符号就容易失去方向。电压靠串联分担,那么大电流又该怎样绕开表头?
若要用 的表头测量 ,新表满偏时只有百分之一的总电流能够流过表头,其余电流必须另找一条路。给表头串联电阻只会让所有电流仍依次通过表头,解决不了问题;真正需要的是一条并联的分流通道。
把分流电阻 与表头并联。总量程为 时,新表达到量程上限,表头电流为 ,分流支路电流为 。两支路电压相同,所以
从而
若量程扩大倍数为 ,则
改装后电流表内阻等于这两个电阻的并联等效值,也可由端电压除以总电流得到:

代入 、、,满偏电压仍为 ,分流电流为 ,所以
整只电流表的内阻为 。分流电阻略大于整只电流表内阻,是因为整只电流表是 与 的并联值。
最反直觉的是量程与分流电阻的变化方向:同一表头改装的电流表量程越大,需要绕过表头的电流越多,因此分流电阻越小,改装后的内阻也越小。量程为 时,分流电阻是 ;量程增至 时,它减为 。若误把这个电阻串在表头上,总电流仍必须流过表头,根本没有分流;得到的反而是电压表式的“大内阻”结构。
多量程电表换接线柱后,电阻之间还可能出现新的串并联关系,不能把每个挡位都想成“表头只并联一个孤立电阻”。下面这只三端电流表就会让同一只电阻在两个挡位中扮演不同角色。
高考中常把电压表、电流表改装放在同一问里。最稳的判断不是背“大串小并”四个字,而是先问:要让多余的电压由谁承担,还是让多余的电流从哪里绕行?回答清楚以后,串联分压与并联分流会自己出现。
有一只表头 、。双量程结构有三个节点:表头接在 之间; 接在 之间; 接在 之间。使用 两端时量程为 ,使用 两端时量程为 。同样三只元件,换端子后串并联关系已经改变。
使用 且新表达到 量程上限时,表头与 的串联支路并联。表头支路电流恰为 ,另一支路电流为 ,于是
改用 且新表达到 量程上限时, 成为直接跨在端口间的支路,另一支路由表头与 串联。流过表头和 的电流均为 ,流过 的电流为 :
代入 、,得到
联立第二个满偏方程,解得
挡中,起分流作用的是 ; 挡中,直接分流的是 ,而 转到表头支路中。两只电阻都参与了两个挡位,只是身份不同。因此,多量程题不能看见“某个小电阻”就单独套 ,必须先按当前端口重画等效图。
满偏方程也不能拿来描述所有读数。用 的 挡测量 时,实际读数只是量程的 。在线性表头模型中,表头实际电流为 ,实际端电压为 ,而不是 和 。只有新表达到所选量程上限时,表头才恰好满偏。
复习多量程电表时,最常见的扣分原因是只看标称量程,不看使用了哪两个接线柱。先圈出端子,把未接通支路删去,再标出每一段电流;每个量程都列一组满偏方程,方程中哪些电阻共用、哪些电流相加,会由等效图直接告诉你。
先标节点和电流路径。串联要求只有一条通路,并联要求元件跨接在同一对节点之间。
再写共同量:串联同电流、电压相加;并联同电压、电流相加。
化简等效电阻后做范围检查:串联值应大于任一部分,并联值应小于任一支路。
遇到电表先看理想还是实际。理想电流表等效短导线,理想电压表等效断路;实际电表要按内阻参与网络。
串并联问题的核心不是记住两行结果,而是守住“路径”和“节点”;电表改装的核心不是记住两个成品公式,而是守住表头满偏时的 与 。这两组思想其实是同一件事:先认清连接关系,再用共同电流或共同电压列式。
下一章将把电表真正放进测量过程:如何选择量程、怎样连接、怎样减小接入误差并从读数得到电阻。到那时,本章的理想与实际内阻会从“概念提醒”变成实验方案的关键条件。
、 串联在 的恒定电压两端。求总电阻、电流以及两电阻两端电压。
与 并联在 两端。求各支路电流、总电流和等效电阻。
六只阻值均为 的电阻,先每三只串联成一组,再把两组并联。求总电阻。
与 并联后再与 串联,接在 两端。求总电流和并联部分两端电压。
一只电阻两端被理想导线直接连接,另一条含电阻的支路中开关断开。说明这两只电阻是否有电流,并指出判断依据。
两个 电阻串联在 两端。用内阻为 的电压表测其中一只电阻的电压,求示数。
一只 电阻接在 的恒定电压两端,原电流为 。串联内阻为 的实际电流表后,示数是多少?
某表头满偏电流 ,内阻 。求满偏电压。
仍用练习 8 的表头,将它改装成量程为 的电压表,需要串联多大的电阻?改装后内阻是多少?
仍用练习 8 的表头,将它改装成量程为 的电流表。求分流电阻和改装后内阻。
某表头 、。表头接在 之间, 接在 之间, 接在 之间。使用 时量程为 ,使用 时量程为 。求 ,并说明哪个挡位的内阻更小。
串联电路只有一条电流路径,所以各处电流相同,总电压和总电阻逐段相加;并联电路的各支路跨接在同一对节点之间,所以电压相同,总电流相加,等效电阻的倒数相加。复杂图先标节点、再辨串并联,遇到短路、断路和电表接入时要先重建连接关系。
表头用 描述满偏状态,且 。串联较大的分压电阻可改装成电压表,并联较小的分流电阻可改装成电流表。所有改装公式都能由“新表达到量程上限时,表头电流恰为 、端电压恰为 ”和串并联基本规律重新推出;未满量程时应改写为实际的 与 。多量程题还要按实际端子分别重画等效电路,不能把不同挡位的满偏方程混成一条。
改装计算要锁定新表达到量程上限的满偏状态:仅在这一状态,表头支路电流恰为 、端电压恰为 ,再用串联分压或并联分流求外加电阻。新表未满量程时,表头实际电流 ,实际端电压为 。