| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.1.A |
|
电路
AP 物理 C:电磁学 · 第 11 主题
11.1
电流
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
电流(electric current)是电荷通过一根导线一个横截面的速率,$I=\dfrac{dq}{dt}$,以安培(amperes)测量。常规电流指向正电荷会移动的方向。微观地,一个电流是许多载流子的一个缓慢漂移:
$n$ 是每体积的载流子数、$q$ 是每个携带的电荷、$v_d$ 是漂移速度(drift velocity),而 $A$ 是横截面积(cross-sectional area)。

Worked example. 一根 $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ 和 $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ 的铜导线携带 $1.7\ \text{A}$。那么 $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ ——载流子漂移得比蜗牛还慢,即使信号以接近光速行进。
电流密度(current density)是每单位面积的电荷流,$\vec{J}=nq\vec{v}_d$,由 $\vec{E}=\rho\vec{J}$ 与驱动它的场联系。一般地 $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$;若 $J(r)$ 跨导线变化,在横截面上积分它以得到总电流。一个注意点:电流沿它的导线有一个方向,但它是一个标量(scalar)——电流不作为矢量相加,而且没有"电流的分量"。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Electric current | 电流 | diàn liú |
| amperes | 安培 | ān péi |
| drift velocity | 漂移速度 | piāo yí sù dù |
| cross-sectional area | 横截面积 | héng jié miàn jī |
| Current density | 电流密度 | diàn liú mì dù |
| scalar | 标量 | biāo liàng |
11.2
电路
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.2.A |
Boundary statement: Unless otherwise specified, all circuit schematic diagrams will be drawn using conventional current. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个电路是从导线、电池、电阻、灯泡、电容器、电感器、开关和仪表构建的一组闭合回路;电荷只能绕一条闭合路径流动。一个元件能一次属于几个回路——那就是使多回路问题有趣的东西。每个分析都以读电路图(circuit diagram)开始:追踪每个回路并辨别哪些元件共享相同的电流(串联(series))以及哪些共享相同的电势差(并联(parallel))。
Build series and parallel circuits
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.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| circuit diagram | 电路图 | diàn lù tú |
| series | 串联 | chuàn lián |
| parallel | 并联 | bìng lián |
11.3
电阻、电阻率与欧姆定律
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.3.A |
|
11.3.B |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
电阻(resistance)测量一个物体多强地反对电荷流。它随材料的电阻率(resistivity)和导体的长度增长,而随它的面积缩小:
欧姆定律(Ohm's law)把通过一个元件的电流与跨它的电势差关联:

Worked example. 把一根导线拉伸到它长度的两倍:体积固定,所以面积减半,而 $R=\rho\ell/A$ 变成 $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ ——四倍的电阻。一个元件是欧姆性(ohmic)的,若 $R$ 保持恒定(在一个 $I$–$\Delta V$ 图上通过原点的一条直线);一个加热起来的灯泡灯丝不是。
Apply Ohm's law
Ohm's law $V=IR$: for a fixed resistance, current is proportional to voltage. Raise the resistance and the same voltage pushes less current.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Resistance | 电阻 | diàn zǔ |
| resistivity | 电阻率 | diàn zǔ lǜ |
| Ohm's law | 欧姆定律 | ōu mǔ dìng lǜ |
| ohmic | 欧姆性 | ōu mǔ xìng |
11.4
电功率
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.4.A |
Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to analyze the transfer of mechanical and electrical energy, although students should be aware that electrical energy can also be dissipated in the form of thermal energy. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个电荷 $q$ 通过一个电势差 $\Delta V$ 降落放出能量 $q\Delta V$,所以一个元件里能量转移的速率是
在一个电阻里全都变成热。用它的量你实际知道的形式——并用功率给灯泡亮度排名:更亮 = 更多功率,不一定更多电阻。在串联里,更大的电阻更亮($P=I^2R$,相同的 $I$);在并联里,更小的更亮($P=\Delta V^2/R$,相同的 $\Delta V$)。
Read an I-V characteristic
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.
11.5
复合直流电路
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.5.A |
|
11.5.B |
|
11.5.C |
Boundary statement: Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal. Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
把电阻网络简化到一个等效电阻(equivalent resistance):串联电阻相加($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$),而并联电阻作为倒数相加($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ ——总是小于最小的支路)。一步一步地折叠网络以求电池电流,然后向外展开以求每个元件的电流和电压。
Worked example. 一个 $12\ \text{V}$ 的电池驱动一个 $4.0\ \Omega$ 和一个 $2.0\ \Omega$ 的电阻串联:$R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$、$I=2.0\ \text{A}$,电压分成 $8.0\ \text{V}$ 和 $4.0\ \text{V}$,而 $4.0\ \Omega$ 的电阻耗散 $P=I^2R=16\ \text{W}$。

真实的电池不是理想的。把一个电池建模为一个 emf $\varepsilon$ 的理想电池(ideal battery)与它自己的内阻(internal resistance)$r$ 串联。当电流流动时,一些 emf 在里面被用掉,所以端电压(terminal voltage)——一个跨电池的电压表实际读的——下降:
Worked example. 一个 $\varepsilon=12\ \text{V}$ 和 $r=0.50\ \Omega$ 的电池供应 $2.0\ \text{A}$:端子处于 $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$。没有电流,一个电压表读完整的 $12\ \text{V}$。
仪表:一个电流表(ammeter)串联在你想要它电流的点(理想电流表:零电阻);一个电压表(voltmeter)并联跨元件(理想电压表:无穷电阻)。非理想仪表扰乱它们测量的电路——一个真实的电流表添加串联电阻,一个真实的电压表窃取电流。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| equivalent resistance | 等效电阻 | děng xiào diàn zǔ |
| ideal battery | 理想电池 | lǐ xiǎng diàn chí |
| internal resistance | 内阻 | nèi zǔ |
| terminal voltage | 端电压 | duān diàn yā |
| ammeter | 电流表 | diàn liú biǎo |
| voltmeter | 电压表 | diàn yā biǎo |
11.6
基尔霍夫回路定则
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.6.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
通过电势差移动的电荷交换能量($\Delta U_E=q\Delta V$),而能量必须绕任何闭合路径平衡。那是基尔霍夫回路定则(Kirchhoff's loop rule):
符号纪律赢得这些问题:从 $-$ 到 $+$ 穿过一个电池是 $+\varepsilon$;顺着假设的电流穿过一个电阻是 $-IR$(逆着它,$+IR$)。每个独立回路写一个方程。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Kirchhoff's loop rule | 基尔霍夫回路定则 | jī ěr huò fū huí lù dìng zé |
11.7
基尔霍夫节点定则
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.7.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
基尔霍夫节点定则(Kirchhoff's junction rule)是一个节点(junction)处的电荷守恒:

两条规则一起求解任何多回路电路:给每个支路分配一个电流、写节点方程,然后回路方程,并求解。一个负的答案只意味着那个电流流向与你假设的方向相反。

Worked example. 在上面的电路里,左边 $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ 带 $R_1=1.0\ \Omega$、右边 $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ 带 $R_2=1.0\ \Omega$,和一个共享的中间电阻 $R_3=2.0\ \Omega$ 携带 $I_3=I_1+I_2$(节点定则)。两个回路方程是
求解:$I_1=3.6\ \text{A}$、$I_2=0.60\ \text{A}$,所以通过中间的 $I_3=4.2\ \text{A}$。用第二个回路检查:$2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Kirchhoff's junction rule | 基尔霍夫节点定则 | jī ěr huò fū jié diǎn dìng zé |
| junction | 节点 | jié diǎn |
11.8
电阻-电容(RC)电路
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.8.A |
|
11.8.B |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
电容器网络像电阻一样简化但规则交换:并联电容相加($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$),串联作为倒数相加——而串联的电容器由电荷守恒必须在每个板上携带相同的电荷。用等效电容(equivalent capacitance)分析网络,然后向回展开。
在一个 RC电路(RC circuit)里,基尔霍夫回路定则给出微分方程
它的解是带时间常数(time constant)$\tau=RC$ 的指数:
电流在第一个瞬间最大并衰减——它从不"等"电容器。学两个极限:在 $t=0$ 一个未充电的电容器像一根普通的导线(最大电流);很长时间后它完全充电,它的支路里没有电流流动,而它像一个断路。在任何稳态(steady state)里,用你的手指盖住电容器支路、求解电阻电路,然后从它跨的元件读电容器的电压。

Worked example. 以 $R=5.0\ \text{k}\Omega$、$C=200\ \mu\text{F}$,和一个 $10\ \text{V}$ 电池:$\tau=RC=1.0\ \text{s}$;初始电流 $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$;一个时间常数后电荷是 $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$,约完整电荷的 $63\%$,而电流已落到它初始值的 $37\%$。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| equivalent capacitance | 等效电容 | děng xiào diàn róng |
| RC circuit | RC电路 | RC diàn lù |
| time constant | 时间常数 | shí jiān cháng shù |
| steady state | 稳态 | wěn tài |
11.8
考试技巧
- 把电流与电荷流关联 $I=\tfrac{dQ}{dt}$ 并对电阻用 $J=\sigma E$、$R=\tfrac{\rho L}{A}$。
- 用一致的符号惯例应用基尔霍夫定律(节点:电荷;回路:能量)。
- 用微积分分析 RC 电路:充电/放电给出带时间常数 $\tau=RC$ 的指数。
- 组合电阻(串联相加、并联倒数)并追踪功率 $P=IV=I^2R$。
- 在 $t=0$ 一个电容器像一根导线;很长时间后($t\to\infty$)它像一个开放的支路。
本主题的互动课程
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