一个简单电路用了多少电?

lesson · available · 30 min

模块:F01/F02。状态:可用的原创入门示范。只需四则运算;无需硬件或软件安装。

给导师

分段进行,一次只给当前问题,等待学生回答。下面的核对信息用于反馈,不要在学生第一次尝试前全部展示。若学生不懂比例或单位,先回到 F01。预计用时由实际对话决定。

目标与问题

学完后能区分电压、电流、功率和能量,算出一个理想电阻电路的电流与功率。

想象一个理想 6 V 直流电源,两端连接一个 300 Ω 电阻,形成闭合回路。导线理想,电阻保持不变。这是纸上模型。

先问:如果把电阻变成原来两倍,你猜电流会增大、减小还是不变?说不出原因也没关系。

必要概念

  • 电压 V: 两点间每单位电荷的电势能差,单位伏特(V)。
  • 电流 I: 单位时间通过某处的电荷量,单位安培(A)。
  • 电阻 R: 在这个理想电阻模型里,电压和电流的比例,单位欧姆(Ω)。
  • 功率 P: 每秒转换的能量,单位瓦特(W)。
  • 能量 E: 一段时间累计转换的能量,可用焦耳(J)或瓦时(Wh)。

电流在闭合回路中流动。电阻把电能转成热;稳态下电荷不会在它里面持续堆积,所以不能说“电流被电阻用掉了”。

一起算一个不同的例子

一个理想 4 V 电源连接 200 Ω 电阻:

I = V / R = 4 / 200 = 0.02 A = 20 mA

P = V × I = 4 × 0.02 = 0.08 W

持续工作 2 小时,且功率不变:

E = P × t = 0.08 × 2 = 0.16 Wh

问学生:上面哪个量描述“用得多快”,哪个量描述“总共用了多少”?

现在自己试

回到 6 V、300 Ω 的电路:

  1. 算出电流,分别用 A 和 mA 表示。
  2. 算出电阻功率。
  3. 持续工作 30 分钟,转换了多少 Wh 的能量?
  4. 改成 600 Ω,电流与功率怎样变化?先解释,再计算。

卡住时只给所需提示:从 V = I × R 开始;1 A = 1000 mA;半小时是 0.5 h。

导师核对与反馈

300 Ω 时:20 mA、0.12 W、0.06 Wh(216 J)。600 Ω 时:10 mA、0.06 W。在电压固定的前提下,电阻加倍使电流和功率减半。若电源条件改变,不能照搬结论。

常见问题:把 20 mA 当成 20 A;把 30 分钟当作 30 小时;把 W 和 Wh 混用;记住结论却遗漏“电压不变”的条件。

迁移检查与记录

使用一组新的数值:理想 8 V 电源与 400 Ω 电阻,持续 15 分钟。学生应独立计算电流、功率与能量,并解释电压变为一半而电阻不变时的变化。

导师核对:20 mA、0.16 W、0.04 Wh;电流减半,功率变为四分之一。若需要看答案才会做,记录为 assisted,并换题再检查,不直接标记已掌握。

结束时让学生用自己的话写两句话:W 和 Wh 的差别;为什么电阻消耗能量却不是消耗电流。把实际回答与帮助程度记录在个人学习进度里。

下一步:F02 的串并联、分压和负载影响;必要时先补 F01 的比例与单位。这一节只证明局部能力,不代表整个 F01/F02 或 G1 已完成。

理论参考

电学概念与线性电路的系统学习可参考 Alexander/Sadiku 教材的官方目录及 MIT 6.002。本节题目、参数与教学文本为 AIPE Academy 原创。

Continue: Devices and switching models

Academy learning map