【原】灯泡与开关的纵横捭阖

文/张虎岗著有《发现不一样的物理》《挑战压轴题·中考物理·轻松入门篇》等

本文为《什么是初中物理》系列第24篇

如同飞机在空中飞行时有规定的航线，火车在行驶上要沿着一定的轨道，电荷在流动过程中也着自己的路径。

电流的路径叫作电路。要想搭建自己雄伟的电学大厦，必须夯实电路这一地基。

图1是最简单的电路，由四部分组成：电源、用电器、开关、导线。

电源是提供电能的装置，干电池、蓄电池、发电机等都是电源。用电器是消耗电能的装置，最常见的是灯泡和电动机。开关的作用是控制电路通断，有断开和闭合两种状态。导线是电流流过的路径。图1所示电路中，开关是断开，这时电路断开，电路中没有电流，这种电路状态叫做断路，也叫开路；如果闭合开关，电路接通，这种电路状态叫做通路；但是如果不小心心将导线直接接在电源两端，电流就会绕过灯泡直接从电源正极回到电源负极，电路的这种状态叫做短路。发生短路时，电路中的电流非常大，很容易损坏电源，甚至引起火灾，所以电源短路是严禁出现的。

知道的电路元件符号还不够，还需要了解电路图的整体架构和元件的摆放位置。一般来说，不管实际电路的连线如何蜿蜒曲折，电路图的外观都画作矩形，并且元件一般不放在矩形的四个角上。再就是元件的分布要合理，就像教室的座位要疏密得当。如果你把电源画在矩形下面的边上，最好把用电器画在上面的边上，当然也可以把它们的位置互换。至于开关，画在用电器那条边上，也可画在电源那条边上，愿意画在两侧的竖线上也没有关系。

图2就是图1对应的电路图。

在实际的情况中，电路中往往不止有一个灯泡，有两个、三个、甚至无数个。如果不信，看看春节时街道两旁树上缠绕的点亮夜晚的灯带就知道了。

不过，我们接下来还是要从两个说起。在初中物理中，在绝大多数情况，涉及的到是两个用电器的连接。以两个灯泡接入同一个电路为例。

这两个灯泡可以像串糖葫芦一样串在一起，这是串联，如图3所示；也可以小朋友排排坐吃果果的小朋友一样，这是并联，如图4所示。

在串联电路中，电流路径只有一条，各个用电器不能单独工作。这真是一荣俱荣一损俱损！

在并联电路中，有干路和支路之分，像树干与树枝。“干”之不存，“枝”将蔫附，所以若干路断开，各支路用电都不能工作；若只是某个支路断开，只有该支路用电器不能工作，不影响其他支路上的用电器，各支路秉承着“独立自主互不干涉”的原则。

如果再加一个灯呢？受到上面的两个电路的启发，一定能想到“三串”（如图5所示）和“三并”（如图6所示）这两种接法。还可以把串联与并联组合起来，搞出新花样，比如“先串后并”（如图7所示）和“先并后串”（如图8所示）。

“先串后并”（图7）可以表述为“灯L₁与L₂串联后，再与L₃并联”；“先并后串”（图8）可以表述为“灯L₁与L₂并联后，再与L₃串联”。这样的电路既有串联又有并联，叫做混联电路。三个用电器的混联在初中物理中已经算是电路连接的极限挑战了。

至于将四个灯混联，在初中物理闻所未闻说见所未见，但只要耐下心来，也不算什么难事！对于现代电子技术来说，将数千万个电子元件在一块0.25cm²的单晶片上连接成集成电路也早已如手到擒来一样。但是，集成电路不管如何复杂，它也是由串联和并联这两种基本电路组合而成的。比如，将图6中的灯L₁和L₂看做一个灯，就变成了像图3那样的并联电路；把图7图中灯L₁和L₂也看做一个灯，就相当于图2那样的串联电路。如果将一个电路中所有的灯看做是一个，那就万图归一变成了图1所示的简单电路。

在实际生活中，还常常需要用多个开关来控制一盏灯，这就涉及到开关的连接方式。如图9所示，是两个开关串联后控制一盏灯；如图10所示，是两个开关并联后控制一盏灯。

如果我们把每个开关看作是一个条件，满足条件时相当于开关闭合，未满足条件时相当开关断开。那么图8中当两个条件同时满足时，电路才能接通，相当于“既要……又要……”；图9中任意满足一个条件时，电路都会接通，相当于“或者……或者……”。

如果再加一个开关，和三盏灯接在同一电路一样，也有四种玩法（如图11、图12、图13、图14所示）。

你可不要小看这些电路，说不定哪个就隐藏你的身边。

比如，为了做好疫情防护，某医院要求进入医院要通过人脸识别测温一体机，可以实现扫健康码查验、口罩检测、体温检测自动报警功能：当出示的健康码为黄色或者红色时，开关S₁闭合，红灯亮起；未配戴口罩时，开关S₂闭合，红灯亮起；体温超过正常体温时，开关S₃闭合，红灯亮起。这三个开关互不影响，有一个闭合报警的红灯都会亮起，所以这三个开关是并联的，与图12相同。

这时，你或许会想起小轿车上的仪表盘上有一个显示汽车车门关闭状况的指示灯，只要四个车门中有一个没关闭，指示灯就发光提醒。如果把车门没有关闭看作是开关断开，车门关闭看作是开关闭合，那么共有四个开关。

这四个开关彼此影响，不能单独控制指示灯，所以这四个开关应该是串联的。这样来看，和图11（或图9）类似，只是开关的数量又增加了，如图15所示。

下面，来检查一下图15是否符合实际。图15中，四个开关任意一个断开，灯都不亮；都闭合时，灯才发光。这与已知的现象正好相反呀！

开关与它控制的用电器串联，这是常规做法。这时，开关断开，用电器不工作；开关闭合，用电器工作。

但是现在这种常规接法却与事实相反。那么，会不会这时候开关与它控制的用电器有可能是并联呢？我们不妨试着画出图16所示的电路。

图16中，开关与它控制的灯并联。开关有任意一个断开，灯发光；开关全部闭合，灯因为被短路而不发光。看来这个电路符合实际。

不过，不要高兴的太早。虽然现象相符，但也出现了一个致命的问题：电源被短路了。

不过在高手的眼里，这都不算个事。加一个保护电阻就轻松搞定，如图17所示，这样所有开关闭合后，只是灯泡被短路，电源并未短路。

看来短路也并非万恶不赦，只要心存善念，也能重新做人。