Skip to content · ⁨Перейти к содержанию⁩

Electric Circuits · ⁨Электрические цепи⁩

AP Physics 2 · ⁨AP Физика 2⁩ · Topic 11 · ⁨Тема 11⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩
7:45

Электрические цепи

Вы щелкаете выключателем, и свет загорается мгновенно. Значит, электроны мчатся по проводу. Нет. Внутри меди электроны ползут — менее чем на…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)⁩

11.1

Electric Current · ⁨Электрический ток⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.1.A: Describe the movement of electric charges through a medium.

  • 11.1.A.1 Current is the rate at which charge passes through a cross-sectional area of a wire.
    • Equation: $I = \dfrac{\Delta q}{\Delta t}$
    • 11.1.A.1.i Electric charge moves in a circuit in response to an electric potential difference, sometimes referred to as electromotive force, or $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
    • 11.1.A.1.ii If the current is zero in a section of wire, the net motion of charge carriers in the wire is also zero, although individual charge carriers will not have zero speed.
  • 11.1.A.2 Although current is not a vector quantity, it does have a direction. The direction of current is associated with what the motion of positive charge would be but not with any coordinate system in space.
    • 11.1.A.2.i The direction of conventional current is chosen to be the direction in which positive charge would move.
    • 11.1.A.2.ii In common circuits, current is actually due to the movement of electrons (negative charge carriers).
Русский

Цель обучения 11.1.A: Описывать движение электрических зарядов через среду.

  • 11.1.A.1 Ток — это скорость прохождения заряда через поперечное сечение провода.
    • Уравнение: $I = \dfrac{\Delta q}{\Delta t}$
    • 11.1.A.1.i Электрический заряд движется в цепи под действием разности электрических потенциалов, иногда называемой электродвижущей силой (ЭДС), или $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
    • 11.1.A.1.ii Если ток равен нулю на участке провода, то результирующее движение носителей заряда в этом проводе также равно нулю, хотя отдельные носители заряда могут иметь ненулевую скорость.
  • 11.1.A.2 Хотя ток не является векторной величиной, он имеет направление. Направление тока ассоциируется с тем, как двигался бы положительный заряд, но не связано с какой-либо системой координат в пространстве.
    • 11.1.A.2.i Направление традиционного тока выбирается таким же, каким было бы движение положительного заряда.
    • 11.1.A.2.ii В обычных цепях ток действительно обусловлен движением электронов (отрицательных носителей заряда).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Electric current 电流 is the rate at which charge flows past a point, measured in amperes 安培 (A):

$$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}.$$
By convention, current points the way positive charge would move (opposite to the electrons in a wire). A steady current needs a complete loop and an energy source (a battery's electromotive force, or emf).

Русский
Осциллограф: поведение цепи во времени измеряется как зависимость напряжения от времени
Осциллограф: поведение цепи во времени измеряется как напряжение от времени

Электрический ток — это скорость потока заряда через точку, измеряемая в амперах (A):

$$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}.$$
По согласованию, ток направлен туда, куда двигался бы положительный заряд (противоположно электронам в проводе). Постоянный ток требует замкнутой цепи и источника энергии (электроподвижная сила, или э.д.с. батареи).

Носители заряда медленно дрейфуют через проводник, создавая ток
Носители заряда медленно дрейфуют через проводник, создавая ток
11.2

Simple Circuits · ⁨Простые цепи⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.2.A: Describe the behavior of a circuit.

  • 11.2.A.1 A circuit is composed of electrical loops, which may include circuit elements such as wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, switches, ammeters, and voltmeters.
  • 11.2.A.2 A closed electrical loop is a closed path through which charges may flow.
    • 11.2.A.2.i A closed circuit is one in which charges would be able to flow.
    • 11.2.A.2.ii An open circuit is one in which charges would not be able to flow.
    • 11.2.A.2.iii A short circuit is one in which charges would be able to flow with no change in potential difference.
  • 11.2.A.3 A single circuit element may be part of multiple electrical loops.
  • 11.2.A.4 Circuit schematics are representations used to describe and analyze electric circuits.
    • 11.2.A.4.i The properties of an electric circuit are dependent on the physical arrangement of its constituent elements.
    • 11.2.A.4.ii Circuit elements have common symbols that are used to create schematic diagrams. Variable elements are indicated by a diagonal strikethrough arrow across the standard symbol for that element. (Standard symbols: Battery, Bulb, Switch, Capacitor, Resistor, Ammeter, Voltmeter.)

Boundary statement: Unless otherwise specified, all circuit schematic diagrams will be drawn using conventional current.

Русский

Цель обучения 11.2.A: Описывать поведение электрической цепи.

  • 11.2.A.1 Цепь состоит из электрических петель, которые могут включать такие элементы, как провода, батареи, резисторы, лампочки, конденсаторы, выключатели, амперметры и вольтметры.
  • 11.2.A.2 Замкнутая электрическая петля — это замкнутый путь, по которому могут протекать заряды.
    • 11.2.A.2.i Замкнутая цепь — это цепь, в которой заряды могли бы протекать.
    • 11.2.A.2.ii Разомкнутая цепь — это цепь, в которой заряды не могли бы протекать.
    • 11.2.A.2.iii Короткое замыкание — это цепь, в которой заряды могли бы протекать без изменения разности потенциалов.
  • 11.2.A.3 Один элемент цепи может быть частью нескольких электрических петель.
  • 11.2.A.4 Схемы электрических цепей — это представления, используемые для описания и анализа электрических цепей.
    • 11.2.A.4.i Свойства электрической цепи зависят от физического расположения её составных элементов.
    • 11.2.A.4.ii Элементы цепей имеют общепринятые символы, которые используются для создания схем. Переменные элементы обозначаются диагональной чертой со стрелкой поверх стандартного символа этого элемента. (Стандартные символы: Батарея, Лампочка, Выключатель, Конденсатор, Резистор, Амперметр, Вольтметр.)

Предварительная оговорка: Если не указано иное, все схемы электрических цепей будут изображаться с использованием традиционного тока.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

A circuit is a closed loop of conductors, a source (battery), and components. In a series 串联 path the same current flows through each element; in a parallel 并联 path the same voltage is across each branch. A circuit diagram uses standard symbols; reading it correctly is the first step of any circuit problem.

Русский

Цепь — это замкнутый контур проводников, источник (батарея) и компоненты. В последовательном пути через каждый элемент протекает одинаковый ток; в параллельном пути на каждой ветви одинаковое напряжение. Схема цепи использует стандартные обозначения; правильное её чтение — первый шаг в решении любой задачи по цепям.

Компоненты могут быть соединены последовательно или параллельно
Компоненты могут быть соединены последовательно или параллельно
Электронная схема, собранная на макетной плате
Реальная цепь: компоненты вставлены в макетную плату и соединены проводами, чтобы ток имел полный путь
Explore · ⁨Исследовать⁩

Build series and parallel circuits · ⁨Соберите последовательные и параллельные цепи⁩

In series the same current flows through every bulb and voltage divides; in parallel each branch gets the full voltage. Switch mode to see the bulbs' brightness change. · ⁨В последовательной цепи через каждую лампочку течет одинаковый ток, а напряжение делится; в параллельной каждой ветви подается полное напряжение. Переключите режим, чтобы увидеть изменение яркости лампочек.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ Электрический ток
amperes/ˈæmpeəz/ амперах
series/ˈsɪəriːz/ последовательно
parallel/ˈpærəlel/ параллельно
Resistance/rɪˈzɪstəns/ Сопротивление
Ohm's law/əʊmz lɔː/ Законом Ома
resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ удельное сопротивление
Electric power/ɪˈlektrɪk ˈpaʊə/ электрическая мощность
light bulb/laɪt bʌlb/ лампочка
brightness/ˈbraɪtnəs/ яркость
equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ эквивалентное сопротивление
ammeter/ˈæmiːtə/ амперметр
voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ вольтметр
nonideal/ˌnɒnaɪˈdɪəl/ неидеальный
Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ Правило Кирхгофа для контура
Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ Правило Кирхгофа для узла
RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ RC-цепь
11.3

Resistance, Resistivity, and Ohm's Law · ⁨Сопротивление, Удельное сопротивление и Закон Ома⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.3.A: Describe the resistance of an object using physical properties of that object.

  • 11.3.A.1 Resistance is a measure of the degree to which an object opposes the movement of electric charge.
  • 11.3.A.2 The resistance of a resistor with uniform geometry is proportional to its resistivity and length and is inversely proportional to its cross-sectional area.
    • Equation: $R = \dfrac{\rho \ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i Resistivity is a fundamental property of a material that depends on its atomic and molecular structure and quantifies how strongly the material opposes the motion of electric charge.
    • 11.3.A.2.ii The resistivity of a conductor typically increases with temperature.

Learning Objective 11.3.B: Describe the electrical characteristics of elements of a circuit.

  • 11.3.B.1 Ohm's law relates current, resistance, and potential difference across a conductive element of a circuit.
    • Equation: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i Materials that obey Ohm's law have constant resistance for all currents and are called ohmic materials.
    • 11.3.B.1.ii The resistivity of an ohmic material is constant regardless of temperature.
    • 11.3.B.1.iii Resistors can also convert electrical energy to thermal energy, which may change the temperature of both the resistor and the resistor's environment.
    • 11.3.B.1.iv The resistance of an ohmic circuit element can be determined from the slope of a graph of the current in the element as a function of the potential difference across the element.
Русский

Цель обучения 11.3.A: Описывать сопротивление объекта с использованием его физических свойств.

  • 11.3.A.1 Сопротивление — это мера того, насколько объект препятствует движению электрического заряда.
  • 11.3.A.2 Сопротивление резистора с равномерной геометрией прямо пропорционально его удельному сопротивлению и длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения.
    • Уравнение: $R = \dfrac{\rho \ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i Удельное сопротивление — это фундаментальное свойство материала, зависящее от его атомной и молекулярной структуры, которое количественно определяет, насколько сильно материал препятствует движению электрического заряда.
    • 11.3.A.2.ii Удельное сопротивление проводника обычно увеличивается с повышением температуры.

Цель обучения 11.3.B: Описывать электрические характеристики элементов цепи.

  • 11.3.B.1 Закон Ома устанавливает связь между током, сопротивлением и разностью потенциалов на проводящем элементе цепи.
    • Уравнение: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i Материалы, подчиняющиеся закону Ома, имеют постоянное сопротивление при любых силах тока и называются омическими материалами.
    • 11.3.B.1.ii Удельное сопротивление омического материала постоянно независимо от температуры.
    • 11.3.B.1.iii Резисторы также могут преобразовывать электрическую энергию в тепловую, что может изменить температуру как самого резистора, так и окружающей среды.
    • 11.3.B.1.iv Сопротивление омического элемента цепи можно определить по наклону графика зависимости силы тока в элементе от разности потенциалов на нём.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Resistance 电阻 $R$ opposes current, measured in ohms. Ohm's law 欧姆定律 links the three key quantities:

$$V=IR.$$
A component's resistance depends on the material's resistivity 电阻率 $\rho$, its length, and its cross-sectional area: $R=\dfrac{\rho L}{A}$ – longer and thinner means more resistance.

Worked example. A $2.0\ \text{A}$ current flows through a $6.0\ \Omega$ resistor. The voltage across it is $V=IR=2.0\times6.0=12\ \text{V}$.

Русский

Сопротивление $R$ препятствует току, измеряется в омах. Закон Ома связывает три ключевых величины:

$$V=IR.$$
Сопротивление компонента зависит от удельного сопротивления материала $\rho$, его длины и площади поперечного сечения: $R=\dfrac{\rho L}{A}$ – чем длиннее и тоньше, тем больше сопротивление.

Вольт-амперная характеристика омического проводника представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат
График зависимости I-V для омического проводника представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат

Пример решения. Ток силой $2.0\ \text{A}$ протекает через резистор сопротивлением $6.0\ \Omega$. Напряжение на нём равно $V=IR=2.0\times6.0=12\ \text{V}$.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Apply Ohm's law · ⁨Примените закон Ома⁩

Ohm's law $V=IR$: for a fixed resistance, current is proportional to voltage. Raise the resistance and the same voltage pushes less current. · ⁨Закон Ома $V=IR$: при постоянном сопротивлении ток пропорционален напряжению. Увеличьте сопротивление, и то же напряжение будет создавать меньший ток.⁩

11.4

Electric Power · ⁨Электрическая мощность⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.4.A: Describe the transfer of energy into, out of, or within an electric circuit, in terms of power.

  • 11.4.A.1 The rate at which energy is transferred, converted, or dissipated by a circuit element depends on the current in the element and the electric potential difference across it.
    • Equation: $P = I \Delta V$
    • Equation (derived): $P = I^2 R = \dfrac{(\Delta V)^2}{R}$
  • 11.4.A.2 The brightness of a bulb increases with power, so power can be used to qualitatively predict the brightness of bulbs in a circuit.
Русский

Цель обучения 11.4.A: Описывать передачу энергии в электрическую цепь, из неё или внутри неё в терминах мощности.

  • 11.4.A.1 Скорость передачи, преобразования или рассеивания энергии элементом цепи зависит от силы тока в элементе и разности электрических потенциалов на нём.
    • Уравнение: $P = I \Delta V$
    • Уравнение (выведенное): $P = I^2 R = \dfrac{(\Delta V)^2}{R}$
  • 11.4.A.2 Яркость лампочки увеличивается с ростом мощности, поэтому мощность можно использовать для качественной оценки яркости лампочек в цепи.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Electric power 电功率 is the rate a component converts electrical energy (to heat, light, motion):

$$P=IV=I^2R=\frac{V^2}{R}.$$
Pick the form that uses the quantities you know. A resistor's power all becomes heat.

Worked example. The $6.0\ \Omega$ resistor above, carrying $2.0\ \text{A}$, dissipates $P=I^2R=2.0^2\times6.0=24\ \text{W}$ – equivalently $P=IV=2.0\times12=24\ \text{W}$.

A light bulb 灯泡 is just a resistor that glows, and its brightness 亮度 rises with the power it dissipates. So to rank bulbs, compare their power. In a series string every bulb carries the same current, so by $P=I^2R$ the bulb with the largest resistance is brightest; wired in parallel every bulb gets the full battery voltage, so by $P=V^2/R$ the bulb with the smallest resistance is brightest.

Русский

Электрическая мощность — это скорость преобразования компонентом электрической энергии (в тепло, свет, движение):

$$P=IV=I^2R=\frac{V^2}{R}.$$
Выберите формулу, использующую известные вам величины. Вся мощность резистора превращается в тепло.

Пример решения. Резистор мощностью $6.0\ \Omega$ выше, через который протекает ток $2.0\ \text{A}$, рассеивает мощность $P=I^2R=2.0^2\times6.0=24\ \text{W}$ – эквивалентно $P=IV=2.0\times12=24\ \text{W}$.

Лампа накаливания — это просто резистор, который светится, и её яркость возрастает вместе с мощностью, которую она рассеивает. Поэтому для ранжирования ламп сравнивайте их мощность. В последовательной цепочке каждая лампа пропускает одинаковый ток, поэтому по формуле $P=I^2R$ самая яркая лампа имеет наибольшее сопротивление; при параллельном подключении каждая лампа получает полное напряжение батареи, поэтому по формуле $P=V^2/R$ самая яркая лампа имеет наименьшее сопротивление.

Высоковольтные линии электропередач: электрическая энергия передается под высоким напряжением, чтобы ток (и потери мощности ²R) оставались низкими
Высоковольтные линии электропередачи: электрическая мощность передаётся при высоком напряжении, чтобы ток (и потери I²R) оставались низкими
Explore · ⁨Исследовать⁩

Read an I-V characteristic · ⁨Прочитайте ВАХ (вольт-амперную характеристику)⁩

Power is $P=IV$. A resistor's I-V line is straight, but a lamp curves as it heats and its resistance rises. The area under I-V relates to the energy delivered. · ⁨Мощность равна $P=IV$. ВАХ резистора — прямая линия, но ВАХ лампы искривляется при нагреве, когда ее сопротивление растет. Площадь под ВАХ связана с переданной энергией.⁩

11.5

Compound DC Circuits · ⁨Составные постоянные цепи⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.5.A: Describe the equivalent resistance of multiple resistors connected in a circuit.

  • 11.5.A.1 Circuit elements may be connected in series and/or in parallel.
    • 11.5.A.1.i A series connection is one in which any charge passing through one circuit element must proceed through all elements in that connection and has no other path available. The current in each element in series must be the same.
    • 11.5.A.1.ii A parallel connection is one in which charges may flow through one of two or more paths. Across each path, the potential difference is the same.
  • 11.5.A.2 A collection of resistors in a circuit may be analyzed as though it were a single resistor with an equivalent resistance $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i The equivalent resistance of a set of resistors in series is the sum of the individual resistances.
      • Equation: $R_{\text{eq},s} = \sum_i R_i$
    • 11.5.A.2.ii The inverse of the equivalent resistance of a set of resistors connected in parallel is equal to the sum of the inverses of the individual resistances.
      • Equation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_i \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii When resistors are connected in parallel, the number of paths available to charges increases, and the equivalent resistance of the group of resistors decreases.

Learning Objective 11.5.B: Describe a circuit with resistive wires and a battery with internal resistance.

  • 11.5.B.1 Ideal batteries have negligible internal resistance. Ideal wires have negligible resistance.
    • 11.5.B.1.i The resistance of wires that are good conductors may normally be neglected, because their resistance is much smaller than that of other elements of a circuit.
    • 11.5.B.1.ii The resistance of wires may only be neglected if the circuit contains other elements that do have resistance.
    • 11.5.B.1.iii The potential difference a battery would supply if it were ideal is the potential difference measured across the terminals when there is no current in the battery and is sometimes referred to as its $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
  • 11.5.B.2 The internal resistance of a nonideal battery may be treated as the resistance of a resistor in series with an ideal battery and the remainder of the circuit.
  • 11.5.B.3 When there is current in a nonideal battery with internal resistance $r$, the potential difference across the terminals of the battery is reduced relative to the potential difference when there is no current in the battery.
    • Equation (derived): $\Delta V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir$

Learning Objective 11.5.C: Describe the measurement of current and potential difference in a circuit.

  • 11.5.C.1 Ammeters are used to measure current at a specific point in a circuit.
    • 11.5.C.1.i Ammeters must be connected in series with the element in which current is being measured.
    • 11.5.C.1.ii Ideal ammeters have zero resistance so that they do not affect the current in the element that they are in series with.
  • 11.5.C.2 Voltmeters are used to measure electric potential difference between two points in a circuit.
    • 11.5.C.2.i Voltmeters must be connected in parallel with the element across which potential difference is being measured.
    • 11.5.C.2.ii Ideal voltmeters have an infinite resistance so that no charge flows through them.
  • 11.5.C.3 Nonideal ammeters and voltmeters will change the properties of the circuit being measured.

Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to qualitatively discuss how a nonideal ammeter or voltmeter will affect the results of measurements. Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal.

Boundary statement: Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed.

Русский

Цель обучения 11.5.A: Описывать эквивалентное сопротивление нескольких резисторов, соединённых в цепи.

  • 11.5.A.1 Элементы цепи могут быть соединены последовательно и/или параллельно.
    • 11.5.A.1.i Последовательное соединение — это такое соединение, при котором любой заряд, проходящий через один элемент цепи, должен пройти через все элементы этого соединения и не имеет других путей. Сила тока в каждом элементе, соединённом последовательно, должна быть одинаковой.
    • 11.5.A.1.ii Параллельное соединение — это такое соединение, при котором заряд может течь по одному из двух или нескольких путей. Разность потенциалов на каждом пути одинакова.
  • 11.5.A.2 Набор резисторов в цепи можно рассматривать как один эквивалентный резистор с эквивалентным сопротивлением $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i Эквивалентное сопротивление набора резисторов, соединенных последовательно, равно сумме их индивидуальных сопротивлений.
      • Уравнение: $R_{\text{eq},s} = \sum_i R_i$
    • 11.5.A.2.ii Величина, обратная эквивалентному сопротивлению набора резисторов, соединенных параллельно, равна сумме величин, обратных индивидуальным сопротивлениям.
      • Уравнение: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_i \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii При параллельном соединении резисторов количество доступных для зарядов путей увеличивается, а эквивалентное сопротивление группы резисторов уменьшается.

Учебная цель 11.5.B: Описать цепь с резистивными проводами и батареей с внутренним сопротивлением.

  • 11.5.B.1 Идеальные батареи имеют пренебрежимо малым внутренним сопротивлением. Идеальные провода имеют пренебрежимо малое сопротивление.
    • 11.5.B.1.i Сопротивлением проводов-хороших проводников обычно можно пренебречь, так как оно значительно меньше, чем сопротивление других элементов цепи.
    • 11.5.B.1.ii Сопротивлением проводов можно пренебречь только если в цепи присутствуют другие элементы, обладающие сопротивлением.
    • 11.5.B.1.iii Напряжение, которое выдала бы идеальная батарея, равно напряжению, измеряемому на зажимах при отсутствии тока в батарее, и иногда называется её $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
  • 11.5.B.2 Внутреннее сопротивление неидеальной батареи можно рассматривать как сопротивление резистора, включенного последовательно с идеальной батареей и остальной частью цепи.
  • 11.5.B.3 При наличии тока в неидеальной батарее с внутренним сопротивлением $r$ напряжение на зажимах батареи снижается по сравнению с напряжением при отсутствии тока в батарее.
    • Уравнение (выведенное): $\Delta V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir$

Учебная цель 11.5.C: Описать измерение силы тока и напряжения в цепи.

  • 11.5.C.1 Амперметры используются для измерения силы тока в конкретной точке цепи.
    • 11.5.C.1.i Амперметры должны подключаться последовательно с элементом, в котором измеряется сила тока.
    • 11.5.C.1.ii Идеальные амперметры имеют нулевое сопротивление, чтобы не оказывать влияния на ток в элементе, с которым они соединены последовательно.
  • 11.5.C.2 Вольтметры используются для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи.
    • 11.5.C.2.i Вольтметры должны подключаться параллельно элементу, на котором измеряется разность потенциалов.
    • 11.5.C.2.ii Идеальные вольтметры имеют бесконечное сопротивление, поэтому через них не течет заряд.
  • 11.5.C.3 Неидеальные амперметры и вольтметры изменят свойства измеряемой цепи.

Граничное утверждение: AP Physics 2 требует от студентов лишь качественного обсуждения того, как неидеальный амперметр или вольтметр повлияет на результаты измерений. Если не указано иное, все батареи, провода и приборы считаются идеальными.

Граничное утверждение: Цепи с батареями с разными напряжениями, соединенными параллельно, не будут оцениваться.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Combine resistors to find an equivalent resistance 等效电阻:

  • Series: $R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$ (resistances add).
  • Parallel: $\dfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\cdots$ (the total is less than the smallest).

Reduce the network step by step to find the total current from the battery, then work back to each element.

Worked example. A $12\ \text{V}$ battery drives a $4.0\ \Omega$ and a $12\ \Omega$ resistor in parallel. First combine them: $\dfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\dfrac14+\dfrac{1}{12}=\dfrac{4}{12}\Rightarrow R_{\text{eq}}=3.0\ \Omega$. The total current from the battery is $I=\dfrac{V}{R_{\text{eq}}}=\dfrac{12}{3.0}=4.0\ \text{A}$, which splits so that the smaller resistor carries the larger share ($3.0\ \text{A}$ through the $4\ \Omega$, $1.0\ \text{A}$ through the $12\ \Omega$).

Русский

Объедините резисторы, чтобы найти эквивалентное сопротивление:

Резисторы, соединённые последовательно, складываются в одно эквивалентное сопротивление
Резисторы, соединённые последовательно, складываются в одно эквивалентное сопротивление
  • Последовательно: $R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$ (сопротивления складываются).
  • Параллельно: $\dfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\cdots$ (общее значение меньше наименьшего).

Упрощайте цепь пошагово, чтобы найти общий ток от источника питания, затем рассчитайте значения для каждого элемента.

Разбор примера. Источник ЭДС $12\ \text{V}$ питает резисторы $4.0\ \Omega$ и $12\ \Omega$, соединённые параллельно. Сначала найдите их общее сопротивление: $\dfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\dfrac14+\dfrac{1}{12}=\dfrac{4}{12}\Rightarrow R_{\text{eq}}=3.0\ \Omega$. Общий ток от источника равен $I=\dfrac{V}{R_{\text{eq}}}=\dfrac{12}{3.0}=4.0\ \text{A}$, который разделяется так, что меньший резистор пропускает бо́льшую часть тока ($3.0\ \text{A}$ через $4\ \Omega$, $1.0\ \text{A}$ через $12\ \Omega$).

11.5

Measuring Current and Voltage · ⁨Измерение тока и напряжения⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.5.A: Describe the equivalent resistance of multiple resistors connected in a circuit.

  • 11.5.A.1 Circuit elements may be connected in series and/or in parallel.
    • 11.5.A.1.i A series connection is one in which any charge passing through one circuit element must proceed through all elements in that connection and has no other path available. The current in each element in series must be the same.
    • 11.5.A.1.ii A parallel connection is one in which charges may flow through one of two or more paths. Across each path, the potential difference is the same.
  • 11.5.A.2 A collection of resistors in a circuit may be analyzed as though it were a single resistor with an equivalent resistance $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i The equivalent resistance of a set of resistors in series is the sum of the individual resistances.
      • Equation: $R_{\text{eq},s} = \sum_i R_i$
    • 11.5.A.2.ii The inverse of the equivalent resistance of a set of resistors connected in parallel is equal to the sum of the inverses of the individual resistances.
      • Equation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_i \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii When resistors are connected in parallel, the number of paths available to charges increases, and the equivalent resistance of the group of resistors decreases.

Learning Objective 11.5.B: Describe a circuit with resistive wires and a battery with internal resistance.

  • 11.5.B.1 Ideal batteries have negligible internal resistance. Ideal wires have negligible resistance.
    • 11.5.B.1.i The resistance of wires that are good conductors may normally be neglected, because their resistance is much smaller than that of other elements of a circuit.
    • 11.5.B.1.ii The resistance of wires may only be neglected if the circuit contains other elements that do have resistance.
    • 11.5.B.1.iii The potential difference a battery would supply if it were ideal is the potential difference measured across the terminals when there is no current in the battery and is sometimes referred to as its $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
  • 11.5.B.2 The internal resistance of a nonideal battery may be treated as the resistance of a resistor in series with an ideal battery and the remainder of the circuit.
  • 11.5.B.3 When there is current in a nonideal battery with internal resistance $r$, the potential difference across the terminals of the battery is reduced relative to the potential difference when there is no current in the battery.
    • Equation (derived): $\Delta V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir$

Learning Objective 11.5.C: Describe the measurement of current and potential difference in a circuit.

  • 11.5.C.1 Ammeters are used to measure current at a specific point in a circuit.
    • 11.5.C.1.i Ammeters must be connected in series with the element in which current is being measured.
    • 11.5.C.1.ii Ideal ammeters have zero resistance so that they do not affect the current in the element that they are in series with.
  • 11.5.C.2 Voltmeters are used to measure electric potential difference between two points in a circuit.
    • 11.5.C.2.i Voltmeters must be connected in parallel with the element across which potential difference is being measured.
    • 11.5.C.2.ii Ideal voltmeters have an infinite resistance so that no charge flows through them.
  • 11.5.C.3 Nonideal ammeters and voltmeters will change the properties of the circuit being measured.

Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to qualitatively discuss how a nonideal ammeter or voltmeter will affect the results of measurements. Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal.

Boundary statement: Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed.

Русский

Цель обучения 11.5.A: Описывать эквивалентное сопротивление нескольких резисторов, соединённых в цепи.

  • 11.5.A.1 Элементы цепи могут быть соединены последовательно и/или параллельно.
    • 11.5.A.1.i Последовательное соединение — это такое соединение, при котором любой заряд, проходящий через один элемент цепи, должен пройти через все элементы этого соединения и не имеет других путей. Сила тока в каждом элементе, соединённом последовательно, должна быть одинаковой.
    • 11.5.A.1.ii Параллельное соединение — это такое соединение, при котором заряд может течь по одному из двух или нескольких путей. Разность потенциалов на каждом пути одинакова.
  • 11.5.A.2 Набор резисторов в цепи можно рассматривать как один эквивалентный резистор с эквивалентным сопротивлением $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i Эквивалентное сопротивление набора резисторов, соединенных последовательно, равно сумме их индивидуальных сопротивлений.
      • Уравнение: $R_{\text{eq},s} = \sum_i R_i$
    • 11.5.A.2.ii Величина, обратная эквивалентному сопротивлению набора резисторов, соединенных параллельно, равна сумме величин, обратных индивидуальным сопротивлениям.
      • Уравнение: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_i \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii При параллельном соединении резисторов количество доступных для зарядов путей увеличивается, а эквивалентное сопротивление группы резисторов уменьшается.

Учебная цель 11.5.B: Описать цепь с резистивными проводами и батареей с внутренним сопротивлением.

  • 11.5.B.1 Идеальные батареи имеют пренебрежимо малым внутренним сопротивлением. Идеальные провода имеют пренебрежимо малое сопротивление.
    • 11.5.B.1.i Сопротивлением проводов-хороших проводников обычно можно пренебречь, так как оно значительно меньше, чем сопротивление других элементов цепи.
    • 11.5.B.1.ii Сопротивлением проводов можно пренебречь только если в цепи присутствуют другие элементы, обладающие сопротивлением.
    • 11.5.B.1.iii Напряжение, которое выдала бы идеальная батарея, равно напряжению, измеряемому на зажимах при отсутствии тока в батарее, и иногда называется её $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
  • 11.5.B.2 Внутреннее сопротивление неидеальной батареи можно рассматривать как сопротивление резистора, включенного последовательно с идеальной батареей и остальной частью цепи.
  • 11.5.B.3 При наличии тока в неидеальной батарее с внутренним сопротивлением $r$ напряжение на зажимах батареи снижается по сравнению с напряжением при отсутствии тока в батарее.
    • Уравнение (выведенное): $\Delta V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir$

Учебная цель 11.5.C: Описать измерение силы тока и напряжения в цепи.

  • 11.5.C.1 Амперметры используются для измерения силы тока в конкретной точке цепи.
    • 11.5.C.1.i Амперметры должны подключаться последовательно с элементом, в котором измеряется сила тока.
    • 11.5.C.1.ii Идеальные амперметры имеют нулевое сопротивление, чтобы не оказывать влияния на ток в элементе, с которым они соединены последовательно.
  • 11.5.C.2 Вольтметры используются для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи.
    • 11.5.C.2.i Вольтметры должны подключаться параллельно элементу, на котором измеряется разность потенциалов.
    • 11.5.C.2.ii Идеальные вольтметры имеют бесконечное сопротивление, поэтому через них не течет заряд.
  • 11.5.C.3 Неидеальные амперметры и вольтметры изменят свойства измеряемой цепи.

Граничное утверждение: AP Physics 2 требует от студентов лишь качественного обсуждения того, как неидеальный амперметр или вольтметр повлияет на результаты измерений. Если не указано иное, все батареи, провода и приборы считаются идеальными.

Граничное утверждение: Цепи с батареями с разными напряжениями, соединенными параллельно, не будут оцениваться.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Two meters read a circuit. An ammeter 电流表 measures the current at a point, so it must be wired in series – the current you want to measure has to flow through it. A voltmeter 电压表 measures the potential difference between two points, so it is wired in parallel, bridging across the component whose voltage you want.

For a meter to read the true value it must barely disturb the circuit:

  • an ideal ammeter has zero resistance, so putting it in series does not reduce the current it reads;
  • an ideal voltmeter has infinite resistance, so almost no current is diverted through it.

A real, nonideal 非理想 meter is imperfect: a real ammeter has a small resistance (it slightly lowers the current), and a real voltmeter lets a little current leak through (it slightly lowers the voltage it reads). So connecting any meter changes, a little, the very quantity it is measuring.

Русский

Два прибора измеряют параметры цепи. Амперметр измеряет силу тока в точке, поэтому его подключают последовательно — измеряемый ток должен протекать через него. Вольтметр измеряет разность потенциалов между двумя точками, поэтому его подключают параллельно, охватывая элемент, напряжение на котором нужно измерить.

Чтобы прибор показывал истинное значение, он должен практически не влиять на цепь:

  • идеальный амперметр имеет нулевое сопротивление, поэтому включение его последовательно не снижает измеряемый ток;
  • идеальный вольтметр имеет бесконечное сопротивление, поэтому почти весь ток идёт мимо него.

Реальный, неидеальный прибор несовершенен: у реального амперметра есть небольшое сопротивление (он слегка уменьшает ток), а у реального вольтметра есть утечка тока (он слегка занижает показания). Таким образом, подключение любого прибора немного изменяет величину, которую он измеряет.

11.6

Kirchhoff's Loop Rule · ⁨Правило контуров Кирхгофа⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.6.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's loop rule.

  • 11.6.A.1 Energy changes in simple electrical circuits may be represented in terms of charges moving through electric potential differences within circuit elements.
    • Equation: $\Delta U_E = q \Delta V$
  • 11.6.A.2 Kirchhoff's loop rule is a consequence of the conservation of energy.
  • 11.6.A.3 Kirchhoff's loop rule states that the sum of potential differences across all circuit elements in a single closed loop must equal zero.
    • Equation: $\sum \Delta V = 0$
  • 11.6.A.4 The values of electric potential at points in a circuit can be represented by a graph of electric potential as a function of position within a loop.
Русский

Учебная цель 11.6.A: Описать цепь или элементы цепи, применяя правило контуров Кирхгофа.

  • 11.6.A.1 Изменения энергии в простых электрических цепях можно представить через движение зарядов через разности электрических потенциалов внутри элементов цепи.
    • Уравнение: $\Delta U_E = q \Delta V$
  • 11.6.A.2 Правило контуров Кирхгофа является следствием закона сохранения энергии.
  • 11.6.A.3 Правило контуров Кирхгофа гласит, что сумма разностей потенциалов на всех элементах цепи в одном замкнутом контуре должна быть равна нулю.
    • Уравнение: $\sum \Delta V = 0$
  • 11.6.A.4 Значения электрического потенциала в точках цепи можно представить в виде графика зависимости электрического потенциала от положения внутри контура.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Kirchhoff's loop rule 基尔霍夫电压定律 (energy conservation): around any closed loop, the voltage gains and drops sum to zero. Add the battery's emf and subtract each $IR$ drop as you go around. This gives one equation per independent loop.

Русский

Правило контуров Кирхгофа (закон сохранения энергии): вдоль любого замкнутого контура сумма приростов и падений напряжений равна нулю. При обходе прибавляйте ЭДС источника и вычитайте каждое падение напряжения на $IR$. Это даёт одно уравнение для каждого независимого контура.

11.7

Kirchhoff's Junction Rule · ⁨Правило узлов Кирхгофа⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 11.7.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's junction rule.

  • 11.7.A.1 Kirchhoff's junction rule is a consequence of the conservation of electric charge.
  • 11.7.A.2 Kirchhoff's junction rule states that the total amount of charge entering a junction per unit time must equal the total amount of charge exiting that junction per unit time.
    • Equation: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$
Русский

Учебная цель 11.7.A: Описать цепь или элементы цепи, применяя правило узлов Кирхгофа.

  • 11.7.A.1 Правило узлов Кирхгофа является следствием закона сохранения электрического заряда.
  • 11.7.A.2 Правило узлов Кирхгофа гласит, что общий заряд, входящий в узел за единицу времени, должен быть равен общему заряду, выходящему из этого узла за единицу времени.
    • Уравнение: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Kirchhoff's junction rule 基尔霍夫电流定律 (charge conservation): the total current into any junction equals the total current out. Together with the loop rule, it lets you solve any multi-loop circuit for its unknown currents.

Русский

Правило узлов Кирхгофа (закон сохранения заряда): суммарный ток, входящий в любой узел, равен суммарному току, выходящему из него. В сочетании с правилом контуров это позволяет решить любую многоконтурную цепь и найти неизвестные токи.

Ток делится в узле: что втекает, то и вытекает
Ток делится в узле: что втекает, то и вытекает
11.8

RC Circuits · ⁨RC-цепи⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
Learning ObjectiveEssential Knowledge

11.8.A
Describe the equivalent capacitance of multiple capacitors.

  • 11.8.A.1 A collection of capacitors in a circuit may be analyzed as though it were a single capacitor with an equivalent capacitance $C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.A.1.i The inverse of the equivalent capacitance of a set of capacitors connected in series is equal to the sum of the inverses of the individual capacitances.
      • Equation: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_i \dfrac{1}{C_i}$
    • 11.8.A.1.ii The equivalent capacitance of a set of capacitors in series is less than the capacitance of the smallest capacitor.
    • 11.8.A.1.iii The equivalent capacitance of a set of capacitors in parallel is the sum of the individual capacitances.
      • Equation: $C_{\text{eq},p} = \sum_i C_i$
  • 11.8.A.2 As a result of conservation of charge, each of the capacitors in series must have the same magnitude of charge on each plate.

11.8.B
Describe the behavior of a circuit containing combinations of resistors and capacitors.

  • 11.8.B.1 The time constant $\tau$ is a significant feature of an RC circuit.
    • 11.8.B.1.i The time constant of an RC circuit is a measure of how quickly the capacitor will charge or discharge and is defined as $\tau = R_{\text{eq}} C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.B.1.ii For a charging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to increase from zero to approximately 63 percent of its final asymptotic value.
    • 11.8.B.1.iii For a discharging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to decrease from fully charged to approximately 37 percent of its initial value.
  • 11.8.B.2 The potential difference across a capacitor and the current in the branch of the circuit containing the capacitor each change over time as the capacitor charges and discharges, but both will reach a steady state after a long time interval.
    • 11.8.B.2.i Immediately after being placed in a circuit, an uncharged capacitor acts like a wire, and charge can easily flow to or from the plates of the capacitor.
    • 11.8.B.2.ii As a capacitor charges, changes to the potential difference across the capacitor affect the charge on the plates of the capacitor, the current circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor.
    • 11.8.B.2.iii The potential difference across a capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor all change with respect to time and asymptotically approach steady state conditions.
    • 11.8.B.2.iv After a long time, a charging capacitor approaches a state of being fully charged, reaching a maximum potential difference at which there is zero current in the circuit branch in which the capacitor is located.
    • 11.8.B.2.v Immediately after a charged capacitor begins discharging, the amount of charge on the capacitor plates and the energy stored in the capacitor begin to decrease.
    • 11.8.B.2.vi As a capacitor discharges, the amount of charge on the capacitor, the potential difference across the capacitor, and the current in the circuit branch in which the capacitor is located all decrease until a steady state is reached.
    • 11.8.B.2.vii After either charging or discharging for times much greater than the time constant, the capacitor and the relevant circuit branch may be modeled using steady-state conditions.

Boundary statement: Descriptions of charging/discharging RC circuits in AP Physics 2 are limited to qualitative descriptions and representations. While students should be able to mathematically describe initial and final states of RC circuits, students are not expected to mathematically model these behaviors with respect to time.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English
Charging a capacitor (RC)

An RC circuit RC电路 contains a resistor and a capacitor. When charging, the capacitor's voltage rises and the current falls, both exponentially, over a characteristic time $\tau=RC$. Key limits: at the first instant the uncharged capacitor acts like a plain wire (maximum current); after a long time it is fully charged and blocks current (acts like a break).

Worked example. For $R=10\ \text{k}\Omega$ and $C=100\ \mu\text{F}$, the time constant is $\tau=RC=(10\times10^{3})(100\times10^{-6})=1.0\ \text{s}$. After one time constant the capacitor reaches about $63\%$ of the supply voltage; after about $5\tau$ it is essentially fully charged.

Русский
Зарядка конденсатора (RC)

RC-цепь содержит резистор и конденсатор. При зарядении напряжение на конденсаторе растёт, а ток убывает; оба процесса протекают экспоненциально в течение характерного времени $\tau=RC$. Ключевые предельные случаи: в первый момент незаряженный конденсатор ведёт себя как простой проводник (максимальный ток); после длительного времени он полностью заряжен и блокирует ток (ведёт себя как разрыв цепи).

Заряд на конденсаторе экспоненциально убывает при разрядке
Заряд на конденсаторе экспоненциально убывает при разрядке

Разбор примера. Для $R=10\ \text{k}\Omega$ и $C=100\ \mu\text{F}$ постоянная времени составляет $\tau=RC=(10\times10^{3})(100\times10^{-6})=1.0\ \text{s}$. После одной постоянной времени конденсатор достигает примерно $63\%$ напряжения питания; спустя около $5\tau$ он практически полностью заряжен.

11.8

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English
  • In series the current is the same throughout; in parallel the voltage is the same across each branch — never mix these up.
  • Combine resistors: series add; parallel $1/R_{\text{eq}}=\sum 1/R_i$ (the total is less than the smallest).
  • Apply Kirchhoff's rules: junction (current in = current out, charge conserved) and loop (voltages sum to zero, energy conserved).
  • Pick the power form that fits your knowns: $P=IV=I^2R=V^2/R$.
  • An ammeter goes in series (ideal: zero resistance); a voltmeter goes in parallel (ideal: infinite resistance). A real meter slightly disturbs the circuit it measures.
  • A bulb is brighter when it dissipates more power – in series the biggest resistance ($I^2R$) glows brightest; in parallel the smallest ($V^2/R$) does.
  • In an RC circuit the capacitor acts like a plain wire the instant it starts charging and like a break once fully charged.
Русский
  • В последовательном соединении ток одинаков на всём участке; в параллельном — напряжение одинаково на каждой ветви — никогда не путайте эти правила.
  • Складывайте сопротивления: последовательно они складываются; параллельно $1/R_{\text{eq}}=\sum 1/R_i$ (общее значение меньше наименьшего).
  • Применяйте правила Кирхгофа: для узлов (ток входа = ток выхода, сохранение заряда) и для контуров (сумма напряжений равна нулю, сохранение энергии).
  • Выберите подходящую формулу мощности в зависимости от известных величин: $P=IV=I^2R=V^2/R$.
  • Амперметр подключается последовательно (идеальный: нулевое сопротивление); вольтметр подключается параллельно (идеальный: бесконечное сопротивление). Реальный прибор слегка искажает измеряемую цепь.
  • Лампочка светит ярче, когда рассеивает больше мощности — в последовательной цепи ярче всего светит резистор с наибольшим сопротивлением ($I^2R$), а в параллельной — с наименьшим ($V^2/R$).
  • В RC-цепи конденсатор в начале зарядения ведёт себя как простой проводник, а после полного заряда — как разрыв цепи.

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in AP Physics 2 · ⁨AP Физика 2⁩ · ⁨Больше тем в AP Physics 2 · ⁨AP Физика 2⁩⁩

Log in or create account · ⁨Войти или создать аккаунт⁩

IGCSE, A-Level & AP