电工技术教案 项目二


    教学目标 知识目标:了解电路的组成及各部分的作用,了解电路中的基本物理量,并掌握其计算方法,了解构成电路的基本元件;了解电压、电流的方向问题,掌握电压、电流的测量方法;掌握欧姆定律并能用来分析和计算简单电路,进而掌握电阻串、并联电路的分析和计算;了解并掌握基尔霍夫定律,了解戴维南定理及叠加原理,进而掌握复杂电路的分析方法;了解电压源与电流源及其等效变换的方法。 能力目标:掌握测量电路基本参数的方法;掌握电压表、电流表的使用方法;掌握仿真软件Multisim 10的基本使用方法,能用仿真的方式验证基尔霍夫定律、戴维南定理及叠加原理。 素质目标:沟通、协作能力;观察、信息收集能力;分析总结能力。良好的职业道德和严谨的工作作风 教学重点 电阻串、并联电路的分析和计算 教学难点 电路中基本物理量的计算方法 教学手段 理实一体 实物讲解 小组讨论、协作 教学学时 10 教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计 注 释 项目二 直流电路的认识 任务一 建立电路模型 〖任务目标〗 在日常生产生活中,广泛应用着各种电路,它们是将实际器件按一定方式连接起来形成的电流通路。实际电路的种类很多,不同用途的电路,其形式和结构也各不相同。由于实际元件构成的实际电路分析起来不方便,为了更好地分析、研究电路,人们创造了由电路模型构成的电路图,同时也摸索出了很多分析电路的方法和规律。本任务就是通过建立电路模型,掌握分析电路的规律和方法。 〖知识链接〗 一、电路与电路模型 (一)电路及电路组成 图2-3 电路的组成 1.电源 电源是供给电能的设备,它把其他形式的能转换成电能。 2.负载 负载是应用电能的装置,它把电能转换成其他形式的能量。 3.导线和开关 (二)电路模型及电路图 图2-4所示是电工电子技术中经常使用的几种理想元件的电路符号。 图2-4 常用的几种理想元件的电路符号 二、电路的工作状态和电气设备的额定值 (一)电路的工作状态 1.通路 通路是指电源与负载接成闭合回路时的工作状态,这时电路中有电流通过。 2.开路 开路也称为断路,是指电源与负载未接成闭合电路时的工作状态,这时电路中没有电流通过。 3.短路 短路是指电源未经负载而直接由导线(导体)构成通路时的工作状态。短路时,电路中流过的电流远大于正常工作时的电流,可能烧坏电源和其他设备。所以,应严防电路发生短路。 (二)电气设备的额定值 三、电流、电压及电动势 (一)电流的形成 电流是由于电荷的定向移动形成的。在金属导体中,电子在外电场作用下有规则地运动就形成了电流。而在某些液体或气体中,电流则是由于正离子或负离子在电场力作用下有规则地运动而形成的。 (二)电流的方向 在不同的导电物质中,形成电流的运动电荷可以是正电荷,也可以是负电荷,甚至两者都有。习惯上把正电荷移动的方向规定为电流的正方向。 (三)电流的大小 通常用单位时间内通过导体横截面的电荷量来表示电流的大小,以字母“I”表示。若在t s内通过导体横截面的电荷量为q,则电流可表示为 I=qt 电流的单位是安培,简称安,用符号“A”表示;电荷量的单位是库仑,简称库,用符号“C”表示。 电流的大小取决于在一定时间内通过导体横截面的电荷量的多少。在相同时间内通过导体横截面的电荷量越多,就表示流过该导体的电流越强,反之越弱。 电流分直流和交流两大类。凡大小和方向都不随时间变化的电流,称为直流(简写作DC);凡大小和方向都随时间变化的电流,称为交流(简写作AC)。 一 个实际电路中电流的大小可以用电流表 (安培表)进行测量,测量时应注意以下几点。 (1)对交、直流电流应分别采用交流电流表和直流电流表进行测量。 (2)电流表必须串接到被测量的电路中。 (3)直流电流表表壳接线柱上标明的“+”、“-”记号,应和电路的极性相一致,不能接错,否则指针要反转,既影响正常测量,也容易损坏电流表。 (4)合理选择电流表的量程。 (四)电压的基本概念 电压是用来衡量电场力推动电荷运动,对电荷做功能力大小的物理量。电路中A、B两点之间的电压在数值上等于电场力把单位正电荷从A点移动到B点所做的功。若电场力移动的电荷量为q,所做的功为W,那么A与B点之间的电压为 UAB=W/q 式中,W是电场力把正电荷从A点移到B点所做的功(J);q为被移动的正电荷的电荷量(C);UAB为A、B两点的电压(V)。 (五)电压的参考方向 如图2-9所示的一段电路,规定A为高电位点,用“+”表示,B为低电位点,用“-”表示,即选取该段电路电压的参考方向从A指向B。当电压的实际方向与参考方向一致时,电压为正值,如图2-9(a)所示;当电压的实际方向与参考方向不一致时,电压为负值,如图2-9(b)所示。 图2-9 电压参考方向与实际方向的关系 电流、电压参考方向的几点说明如下。 (1)电流、电压的实际方向是客观存在的,有时容易确定,有时难以确定。它们的参考方向是由于计算需要人为确定的,在电路分析和计算过程中,以参考方向为基础。 (2)同一段电路中,电流参考方向选择不同,其数值相等但符号相反,电压的情况也一样,因此电流值、电压值的正负只有在选定参考方向的情况下才有意义。 (3)在电路分析和计算中,必须先标出电流和电压的参考方向,才能进行分析和计算。 (4)为了方便分析电路,电路上的电流和电压一般选择关联的参考方向。 (六)电压的测量 电路中任意两点之间的电压大小,可用电压表进行测量,测量时应注意以下几点。 (1)对交、直流电压应分别采用交流电压表和直流电压表。 (2)电压表必须并联在被测电路的两端。 (3)直流电压表表壳接线柱上标明的“+”、“-”记号应和被测两点的电位相一致,即“+”端接高电位,“-”端接低电位,不能接错。 (七)电动势 1.电动势的基本概念 在电源内部,电源力把正电荷从低电位(负极)移到高电位(正极)反抗电场力所做的功W与被移动电荷的电荷量q的比值就是电源电动势。用公式表示为 E=W/q 其中,E为电源电动势(V);W为电源力所做的功(J)。 不同的电源由于电源力的来源不同,能量转换的形式也不同。化学电动势(干电池、纽扣电池、蓄电池等)的电源力是一种化学作用,电动势的大小取决于化学作用的种类,与电源大小无关,如干电池无论是1号、2号、5号,其电动势都是1.5 V。 2.电动势的参考方向 电动势的作用是把正电荷从低电位点移动到高电位点,使正电荷的电势能增加,所以规定电动势的实际方向是由低电位指向高电位,即从电源的负极指向电源的正极。 3.电源端电压与电动势的关系 (1)电源端电压U反映的是电场力在外电路将正电荷由高电位点(正极)移向低电位点(负极)做功的能力。电动势E反映的是电源力将电源内部的正电荷从低电位点(负极)移向高电位点(正极)做功的能力。 (2)若不考虑电源内损耗,则电源电动势在数值上与它的端电压相等,但实际方向相反。 四、电功与电功率 电功,简单地说就是电流所做的功。电流在经过电器设备时会发生能量的转换,能量转换的大小就是电流所做功的大小,用符号“W ”表示,单位为焦耳(J)。电功率的符号用“P”表示,单位为瓦(W)。在电流、电压关联参考方向下,电功率的计算公式为P=Wt=UI。 五、电阻元件及欧姆定律 (一)电阻元件 电阻元件是电路中使用最多的元件之一,常称为电阻器。电阻器的主要特征是变电能为热能,它是一个消耗电功率的元器件,在电路中主要起调节电流、电压以及将电能转换成热能的作用。 1. 线性电阻元件和非线性电阻元件 一般常温下金属电阻器的电阻是线性电阻,在其额定功率内,其伏安特性曲线为直线,如图2-15(a)所示。但像热敏电阻、光敏电阻等,在不同的电压、电流情况下,电阻值不同,伏安特性曲线为非线性,如图2-15(b)所示。 图2-15 电阻器的伏安特性 2.电阻器的选用 在一般场合下,主要是根据阻值、额定功率和允许误差的要求来选择合适的电阻器。也就是说,电阻的标称阻值应和电路要求相符,额定功率应该是电阻器在电路中实际消耗的功率的1.5~2倍,允许误差在要求的范围之内。 3.电导 电阻的倒数称为电导,用符号“G”表示,即G=1/R。 各种材料按照它们的导电能力,一般可分为导体、绝缘体、半导体和超导体。 (二)欧姆定律 1.部分电路欧姆定律 在一段不包括电源的电路中,电路中的电流I与加在这段电路两端的电压U成正比,与这段电路的电阻R成反比,这一结论称为欧姆定律,它揭示了一段电路中电阻、电压和电流三者之间的关系。 2.全电路欧姆定律 全电路欧姆定律的内容是:全电路中的电流I与电源的电动势E成正比,与电路的总电阻(外电路的电阻R和内电路的电阻r0之和)成反比,即I=E/(R+r0)。式中,E为电源的电动势(V);r0为电源内阻(Ω)。 (三)电源的外特性 图2-19 电源的外特性曲线 六、电位的概念及计算 在电路中任选一个参考点(该点的电位值为零,又称为零电位点),电路中某一点到参考点的电压就称为该点的电位。电位的符号用“V”表示,如电路中某点a和参考点o间的电压Vao为a点的电位,记作Va,电位的单位也是伏特(V)。 2.电位参考点的意义 通常规定参考点的电位为零,因此参考点又称为零电位点,用接地符号“┴”表示。 七、电阻的串并联连接及等效变换 1.电阻串联电路 图2-22电阻串联电路在电路中,若干个电阻依次连接,中间没有分岔支路的连接方式,称为电阻的串联。图2-22所示为3个电阻R1、R2和R3组成的电阻串联电路。 图2-22 电阻串联电路 2.电阻并联电路 图2-24电阻并联电路在电路中,将若干个电阻的一端共同连在电路的一点上,把它们的另一端共同连在另一点上,这种连接方式称为电阻的并联。图2-24(a)所示为三个电阻的并联电路,图2-24 (b)所示为其等效电路。 图2-24 电阻并联电路 3.电阻混联电路 求电阻混联电路的等效电路的步骤如下。 (1)先把电阻的混联分解成若干个串联和并联,按照串、并联电路的特点进行计算,分别求出它们的等效电阻。 (2)用已求出的等效电阻去取代电路中的串、并联电阻,得到电阻混联电路的等效电路。 (3)如果所求得的等效电路中仍然包含着电阻的串联或并联,可继续用上面的方法来化简,以求得最简单的等效电路。 (4)利用已化简的等效电路,根据欧姆定律算出通过电路的总电流,再算出各支路上的电流及各电阻两端的电压、功率等。 任务二 仿真验证基尔霍夫定律 〖任务目标〗 实际电路中,除了简单电路外,还有复杂电路。对复杂电路的分析,欧姆定律就使用不上了,这时就需要用到基尔霍夫定律。由此可见基尔霍夫定律在电路中的重要作用。 仿真是现代电路学习、分析的一种有效的方法和手段,Multisim 10是电路仿真领域应用最广的一款软件,本任务通过仿真的方式学习并掌握基尔霍夫定律。 〖知识链接〗 一、基尔霍夫定律 (一)电路结构中的几个名词 1.支路2.节点3.回路4.网孔 (二)基尔霍夫电流定律 图2-35 基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电流定律简称KCL,又称节点电流定律,是反映电路中与同一节点相连的支路中电流之间关系的定律。其基本内容是:在任意瞬间,流进任一节点的电流之和恒等于流出这个节点的电流之和,即∑I入=∑I出。 (三)基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电压定律简称KVL,又称回路电压定律,它反映了回路中各电压间的相互关系。其基本内容是:在任意瞬间沿电路中任一回路绕行一周,各段电压的代数和恒等于零,即 ∑U=0。 二、电压源与电流源及其等效变换 (一)电压源 任何一个实际电源,都可以用恒定电动势E和内阻r0串联的电路来表示,称之为电压源,。电压源是以输出电压的形式向负载供电的,输出电压的大小为U=E-Ir0。如果电源内阻r0=0,电源始终输出恒定电压U=E,把内阻r0=0的电压源称为理想电压源 (二)电流源 电流源是一种不断向外电路输出电流的装置。如光电池,在具有一定照度的光线照射下,光电池将被激发产生一定值的电流,电流大小与照度成正比。 (三)电压源与电流源的等效变换 在进行电源的等效变换时必须注意以下几点。 (1)电压源与电流源的等效变换只是对外电路,即对图中虚线框的外部而言,两种电源内部并不等效。 (2)由于理想电压源的内阻定义为零,理想电流源的内阻定义为无穷大,因此两者之间不能进行等效变换。 (3)电压源中的电动势E和电流源中的恒定电流Is在电路中应保持方向一致,即Is的方向从E的“-”端指向“+”端。 任务三 仿真验证戴维南定理及叠加原理 〖任务目标〗 复杂电路的分析不能简单地用欧姆定律来解决,需要借助于基尔霍夫定律来分析讨论,常用的解决复杂电路的方法有支路电流法、叠加原理和戴维南定理等。 〖知识链接〗 一、支路电流法 支路电流法是分析复杂电路的基本方法,对于一个复杂电路,在已知电路中各电阻和电动势的前提下,以各条支路电流为未知量,根据基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律分别列出电路中的节点电流方程及回路电压方程,然后联立求解,计算出各支路电流,这种分析电路的方法称为支路电流法。 支路电流法的解题步骤可概括如下。 (1)分析电路的结构,看有几条支路、几个网孔,选取并标出各支路电流的参考方向、网孔或回路电压的绕行方向。 (2)根据KCL列出(n -1)个独立节点的电流方程(n为节点的数目)。 (3)根据KVL列出m个网孔的电压方程(m为网孔的数目)。 (4)代入已知的电阻和电动势的数值,联立求解以上方程得出各支路电流值。 (5)由各支路电流可求出相应的电压和功率。 二、叠加原理 叠加原理是线性电路分析的基本方法,它的内容是:在线性电路中,任一支路中的电流(或电压)等于各个电源单独作用时,在此支路中所产生的电流(或电压)的代数和。 三、戴维南定理 1.二端网络 在电路分析中,任何具有两个引出端的部分电路都可称为二端网络。二端网络中,如果含有电源就称为有源二端网络,如图2-59(a)所示;如果没有电源则称为无源二端网络,如图2-59(b)所示。电阻的串联、并联、混联电路都属于无源二端网络,它总可以用一个等效电阻来替代,而一个有源二端网络则可以用一个等效电压源来代替。 图2-59 二端网络 2.戴维南定理 戴维南定理可以表述如下:对外电路来说,线性有源二端网络可以用一个理想电压源和一个电阻的串联组合来代替。理想电压源的电压等于该有源二端网络两端点间的开路电压,用U0表示;电阻则等于该网络中所有电源都不起作用时(电压源短接,电流源切断)两端点间的等效电阻,用R0表示。 应用戴维南定理求某一支路电流和电压的步骤如下。 (1)把复杂电路分成待求支路和有源二端网络两部分。 (2)把待求支路移开,求出有源二端网络两端点间的开路电压U0。 (3)把网络内各电压源短路,切断电流源,求出无源二端网络两端点间的等效电阻R0。 (4)画出等效电压源图,该电压源的电动势E=U0,内阻r0=R0,并将其与待求支路接通,形成与原电路等效的简化电路,用欧姆定律或基尔霍夫定律求支路的电流或电压。 观察图2-3,想一想电路由哪些部分组成。 学生思考通路状态需要注意的问题。 设备在超过额定工作状态下运行,会发生什么危险? 用安培表测电流。 教师讲解电压的参考方向。 学生实际测量电压,并总结注意事项。 教师讲解电阻器的伏安特性。 学生思考导体、绝缘体、半导体和超导体的不同。 观察电阻串联电路,总结电路的特点。 观察电阻并联电路,总结电路的特点。 按照步骤解例2-14。 依据基尔霍夫电流定律解例2-15。 依据基尔霍夫电压定律解例2-16。 按照支路电流法的解题步骤解例2-18。 按步骤解例2-20。 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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    小***库

    贡献于2020-10-17

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