电工学教案(一).doc

课时授课计划课次序号： 1 一、课题：11 电路的作用与组成部分1-2 电路模型 1-3 电压和电流参考方向二、课型：课堂讲授三、目的要求：掌握电路概念，对参考方向理解。四、重点、难点：电路模型的概念，电压和电流的方向判定 五、教学方法及手段：以讲授为主，并加以举例；课堂进行适当提问和习题练习。六、参考资料：教学参考书为电路（第四版）邱关源主编 参考网站：七、作业：1.2.1 1.3.1八、授课记录：授课日期班次九、授课效果分析：按预定目标完成了教学任务，学生基本掌握所学内容，对知识的熟练运用还要通过课后习题和复习。十、教学进程（教学内容、教学环节及时间分配等）1、复习：高中所学电路的基本概念和日常生活中电路的应用2、导入课题：11 电路的作用与组成部分1-2 电路的基本物理量 1-3 电路的状态3、教学内容：1.1 电路的组成和作用一、电路的组成电路：电流流过的全部通路称为电路，也可称为网络。电路是由一些用电设备或器件组成的总体。电路的组成：电路由电源、负载和中间环节三大部分组成。 电源的作用是为电路提供能量，如发电机利用机械能或核能转化为电能，蓄电池利用化学能转化为电能，光电池利用光能转化为电能等； 负载则将电能转化为其他形式的能量加以利用，如电动机将电能转化为机械能，电炉将电能转化为热能等； 中间环节用作电源和负载的联接体，包括导线、开关、控制线路中的保护设备等。二、电路的作用 实现电能的传输和转换 对电信号进行传递和处理1.2 电路模型实际电路均是由一些按需要起不同作用的实际电路元件或器件所组成，它们的电磁性质比较复杂，为了简化对实际电路进行分析和数学描述，可将实际元件理想化。理想元件：在一定条件下，突出实际电路元件或器件主要电磁性质，忽略次要因素，把它近似地看作理想元件。电路模型：由一些理想元件所组成的电路，就是实际电路的电路模型，它是对实际电路的电磁性质的科学抽象和概括。常用的理想元件(元件)主要有：电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。CLR电阻元件R 电感元件 L 电容元件 C三种理想电路元件的电路符号1-3电压和电流的参考方向关于电压和电流的方向，有参考方向和实际方向之分，要加以区别。 电流：电荷的定向移动形成电流。 电流方向：习惯上规定正电荷的移动方向为电流的方向。 电流的大小为单位时间内通过导体横截面的电量，用公式表示即 量纲：安培（A） 1kA=10-3A ；1mA=10-3A；1A=10-6A。注意：通常直流电流用大写字母I表示，而随时间变化的电流用小写字母i 表示。电流的参考方向（reference direction）：参考方向是在电路元件上任意选定某一方向作为电流的正方向，所选电流方向即参考方向并不一定与电流的实际方向一致。当i0时参考方向与实际方向一致，当i0时参考方向与实际方向一致，当uU0USU0uC令， 稳态响应 暂态响应完全响应稳态响应暂态响应 零输入响应 零状态响应完全响应零输入响应零状态响应3.3.2RC一阶电路的零输入响应 已知：时，电容已充电至，时，S由a合向b。 求后的。1. 定性分析： 时， 时， 2. 定量分析： 时， 令， 3. 时间常数： R：由动态元件看进去的戴维南等效电阻 的物理意义：衰减到36.8所需时间 tu1u20u1,u24V 的几何意义：由 点作的切线所得的次切距。时，电路进入新的稳态,可见，时间常数反映了物理量的变化快慢，越小，物理量变化越快。3.3.3 RC一阶电路的零状态响应 已知，求时的。1. 定性分析： 时， iCuR0tuC, uR, iCUSUS/RuC2. 定量分析： 为非齐次微分方程任一特解， 为对应齐次微分方程的通解， 强制响应，与输入具有相同形式， ， 固有响应，与电路结构有关。 其中：为稳态响应（），为暂态响应（必将衰减为0）为时间常数 即充电过程中时间常数的物理意义为由初始值上升了稳态值与初始值差值的63.2%处所需的时间。时，电路进入新的稳态。4、课堂总结：本节主要讲述了暂态的概念和 RC电路的一阶方程求取方法，要求学生能够理解并正确求解。5、布置作业：3.2.2 ，3.3.1 ，3.3.3 要求课后好好复习掌握。课时授课计划课次序号： 9 一、课题：3.4一阶电路三要素法二、课型：课堂讲授三、目的要求：掌握一阶电路暂态分析的三要素法。四、重点、难点：一阶暂态电路微分方程的建立及解的形式。 五、教学方法及手段：以讲授为主，并加以举例；课堂进行适当提问和习题练习。六、参考资料：教学参考书为电路（第四版）邱关源主编 参考网站：七、作业：3.4.2 ，3.4.3八、授课记录：授课日期班次九、授课效果分析： 十、教学进程（教学内容、教学环节及时间分配等）1、复习： 2、导入课题：RC电路的一阶方程求取方法，暂态过程回顾。3、教学内容：3.4 三要素法 一阶电路三要素公式前提： 一阶电路 直流激励 初始值 由的等效电路中求， 必须由的等效电路求。时：C电压源 零状态下：C短路 L电流源 L断路 稳态值时，C断路，L短路 时间常数 ， ， R由动态元件两端看进去的戴维南等效电阻。例：图示电路原已稳定，开关S在t=0时合上求电压u.解： 例：图示电路，开关S在位置“a”处已稳定，t=0时S打到位置“b”处，求电流i.已知E1=8V，E2=4V，R1=1，R2=2，R3=2，L=8mH.解： 一、电路的组成3.4 微分电路与积分电路一、 微分电路条件：(1)时间常数tw；(2)输出电压从电容两端取出分析：4、课堂总结：尤为重要，要求必须在理解的基础上，掌握并正确应用。5、布置作业：3.4.2 ，3.4.3 课时授课计划课次序号： 10 一、课题：3.5微积分电路3.6RL电路的响应二、课型：课堂讲授三、目的要求：能够进行RL电路的响应计算。四、重点、难点：一阶暂态电路微分方程的建立及解的形式。 五、教学方法及手段：以讲授为主，并加以举例；课堂进行适当提问和习题练习。六、参考资料：教学参考书为电路（第四版）邱关源主编 参考网站：七、作业：3.4.2 ，3.4.3八、授课记录：授课日期班次九、授课效果分析： 十、教学进程（教学内容、教学环节及时间分配等）1、复习： 2、导入课题：RC电路的一阶方程求取方法，暂态过程回顾。3、教学内容：3.5 微分电路与积分电路二、 微分电路条件：(1)时间常数tw；(2)输出电压从电容两端取出分析：3.6RL一阶电路的零状态响应已知：。求：时的RL充磁过程 4、课堂总结：尤为重要，要求必须在理解的基础上，掌握并正确应用。5、布置作业： 3.4.4课时授课计划课次序号： 12 一、课题： 4.1正弦电压和电流4.2正弦量的相量表示法二、课型：课堂讲授三、目的要求：理解正弦交流电的三要素。理解电路基本定律的相量形式和相量图. 四、重点、难点：正弦量的基本特征及相量表示法. 五、教学方法及手段：以讲授为主，并加以举例；课堂进行适当提问和习题练习。六、参考资料：教学参考书为电路（第四版）邱关源主编 参考网站：七、作业：4.2.1 4.2.2八、授课记录：授课日期班次九、授课效果分析： 十、教学进程（教学内容、教学环节及时间分配等）1、复习： 暂态分析的一阶电路三要素法，零输入和零状态响应的概述。2、导入课题：所谓正弦交流电路，是指含有正弦电源(激励)而且电路各部分所产生的电压和电流(响应)均按正弦规律变化的电路。交流发电机中所产生的电动势和正弦信号发生器所输出的信号电压，都是随时间按正弦规律变化的。它们是常用的正弦电源。在生产上和日常生活中所用的交流电，一般都是指正弦交流电。因此，正弦交流电路是电工学中很重要的一个部分。本节课我们学习4.1正弦电压和电流4.2正弦量的相量表示法。3、教学内容： 4.1 正弦交流电的基本概念正弦量：随时间按照正弦规律变化的物理量，都称为正弦量，它们在某时刻的值称为该时刻的瞬时值，则正弦电压和电流分别用小写字母i、u表示。周期量：时变电压和电流的波形周期性的重复出现。周期T：每一个瞬时值重复出现的最小时间间隔，单位：秒（S）；频率f： 是每秒中周期量变化的周期数，单位：赫兹（Hz）。显然，周期和频率互为倒数，即f=1/T。交变量：一个周期量在一个周期内的平均值为零。可见，正弦量不仅是周期量，而且还是交变量。正弦量的函数表示法：最大值，反映正弦量在整个变化过程中所能达到的最大值；相位，反映正弦量变动的进程；角频率（），反映正弦量变化的快慢。初相位，反映正弦量初值的大小、正负。，正弦量的三要素。4.1.1频率与周期 1. 周期：正弦量变化一次所用的时间. T (s) 2. 频率：正弦量单位时间内变化的次数. f ( Hz) 3. 角频率：正弦量单位时间内变化的弧度. (rad/s) 4. 三者关系：f=1/T ; =2f = 2/T4.1.2幅值与有效值1. 瞬时值：正弦量在任一瞬间的值。 ( i, u, e )2. 幅值：正弦量的最大值。(Im, Um, Em)3. 有效值：I, U, E4. 有效值与幅度的关系. 工程上，一般所说的正弦电压、电流的大小都是指有效值。例如交流测量仪表所指示的读数、交流电气设备铭牌上的额定值都是指有效值。应当指出，并非在一切场合都用有效值来表征正弦量的大小。例如，在确定各种交流电气设备的耐压值时，就应按电压的最大值来考虑。4.1.3 初相与相位差相位:反映交流电变化进程的电角度.初相:t=0时的相位. 相位差:同频率正弦量的相位差即为初相之差. 设 则u(t)与i(t)的相位差 可见，对两个同频率的正弦量来说，相位差在任何瞬时都是一个常数，即等于它们的初相之差，而与时间无关。的单位为rad(弧度)或(度)。主值范围为|。如果u i0，则称电压u的相位超前电流i的相位一个角度度，简称电压u超前电流i角度，在波形图中，由坐标原点向右看，电压u先到达其第一个正的最大值，经过，电流i到达其第一个正的最大值。反过来说电流i滞后电压u角度。 如果u i0，则结论刚好与上述情况相反，即电压u滞后电流i一个角度|，或电流i超前电压u一个角度|。如果，与同相。 如果，与正交。如果,与反相。注意：1. 函数表达形式应相同，均采用sin或sin形式表示。如 2. 函数表达式前的正、负号要一致。当。3. 两个同频率正弦量的相位差与计时起点的选择无关。4.2 正弦量的相量表示法正弦量的表示方法:1.三角函数式. 2.波形图3.相量表示法相量表示法:用复数表示正弦量,可以把正弦量的三角运算简化为复数运算.4.2.1相量令正弦量，根据欧拉公式，可知 ，取则 于是： 最大值相量。可以表示一个正弦量的复值常数称为相量。 有效值相量 注意：相量图：相量既然是复数，可以在复平面上用一条有向线段表示。相量的长度是正弦电流的有效值I，相量与正实轴的夹角是正弦电流的初相。为了简化起见，相量图中不画出虚轴，而实轴改画为水平的虚线，如下图所示。+10+jI 同频率正弦量的相量运算同频率正弦量的加减法：采用代数表达式,实部相加减,虚部相加减. 乘除法:采用指数或极坐标表达式,模相乘除,辐角相加减。例：，。求。上述计算也可以根据平行四边形法则在相量图上进行。相量的加减法只对应同频率正弦量的加减法。 KCL的相量形式KCL的相量形式 其中：mk = Imk = Imk /ik k = Ik = Ik /ik为流出该节点的第k条支路正弦电流ik对应的相量。 2KVL的相量形式mk = 0 k = 0 式中mk、k为回路中第k条支路的电压相量。注意：KCL、KVL的相量形式所表示的是相量的代数和恒等于零，并非是有效值的代数和恒等于零。4、 课堂总结：正弦交流电路是电工学中很重要的一个部分，我们必须掌握它的基本概念，并学会用相量表示法以为后面的学习做好准备。5、 布置作业：4.2.1 4.2.2课时授课计划课次序号： 13 一、课题：4.3单一参数交流电路4.4RLC串联交流电路、4.5阻抗的串并联二、课型：课堂讲授三、目的要求：掌握正弦交流电路元件的向量表达式，理解和掌握有功功率、功率因数的概念和计算，理解无功功率和视在功率的概念四、重点、难点：R、L、C元件伏安关系的相量形式;有功功率、无功功率的意义 五、教学方法及手段：以讲授为主，并加以举例；课堂进行适当提问和习题练习。六、参考资料：教学参考书为电路（第四版）邱关源主编 参考网站：七、作业：4.3.2 4.4.7 4.5.3八、授课记录：授课日期班次九、授课效果分析： 十、教学进程（教学内容、教学环节及时间分配等）1、复习：正弦量的基本特征及相量表示法.2、导入课题：在学习了正弦量的相量表示法基础上,我们就用该方法来分析RLC单一电路和串联电路.3、教学内容：4.3 单一参数交流电路在正弦稳态电路中，三种基本电路元件R、L、C的电压、电流之间的关系都是同频率正弦电压、电流之间的关系，所涉及的有关运算都可以用相量进行，因此这些关系的时域形式都可以转换为相量形式。4.3.1纯电阻元件1伏安特性电压和电流的参考方向关联时，则在电压和电流关联参考方向下电阻的伏安关系的相量形式为： 2. 功率：瞬时功率：常量 两倍于原频率的正弦量可以看出，电阻吸收的功率是随时间变化的，但pR始终大于或等于零，表明了电阻的耗能特性。上式还表明了电阻元件的瞬时功率包含一个常数项和一个两倍于原电流频率的正弦项，即电流或电压变化一个循环时，功率变化了两个循环。平均功率： 瞬时功率在一周期内的平均值称为平均功率，记为P，即在正弦稳态电路中，我们通常所说的功率都是指平均功率而言。平均功率又称为有功率。它们的单位为W。4.3.2纯电容电路1. 伏安关系 当电压和电流参考方向关联时， 可见电容元件上电流超前于电压90o 伏安关系的相量形式2. 功率瞬时功率： 平均功率： 无功功率： 能量电容元件的瞬时能量则为WC(t)（C/2）uC2(t)（C/2）(UC cost)2=（C/2）UC2(1+cos2t)电容贮能的平均值WC（C/2） UC2由波形图看出，当pC0时，电容输出能量，其贮能减少；当pC0时，电容吸收能量，其贮能增长。而电容的贮能在0与CUC2之间变动。在正弦稳态电路中，电容元件与外部电路不断进行能量交换的现象，也是由电容的贮能本质确定的。4.3.3纯电感电路1伏安特性当电压和电流参考方向关联时，可见电感元件上电流滞后于电压90o 在正弦电流电路中，线性电感的电压和电流在瞬时值之间不成正比，而在有效值之间、相量之间成正比。 此时电压与电流有效值之间的关系不仅与L有关，还与角频率有关。当L值不变，流过的电流值IL一定时，越高则UL越大；越低则UL越小。当0(相当于直流激励)时，UL0，电感相当于短路。 在相位上电感电压超前电流90。2. 功率： 瞬时功率： 平均功率瞬时功率pL (t)仅为一个两倍于原电流频率的正弦量，其平均值为零，即PL0即在正弦电流电路中，电感元件不吸收平均功率。 无功功率：为了描述电感元件与外部能量交换的规模，引入无功功率的概念。电感元件与外部能量交换的最大速率(即瞬时功率的振幅)定义为无功功率 能量电感元件的瞬时能量则为WL (t)LiL2(t) L(IL sint)2LIL2 (1cos2t) 电感贮能的平均值WLL IL2由电感的功率及其能量的波形图看出，当pL0时，电感吸收能量，其贮能增长；当pL0时，电感输出能量，其贮能减少。而电感的贮能在0与LIL2之间变动。在正弦稳态电路中，电感元件与外部电路总间不断进行能且交换的现象，是由电感的贮能本质所确定的。4.4. 电阻、电感、电容的串联的交流电路一. 电压、电流间的关系设： 设：为串联交流电路的复阻抗其中：阻抗Z的模为、阻抗角分别为：可见，电抗X是角频率的函数。当电抗X0(L1/C)时，阻抗角Z0，阻抗Z呈感性；当电抗X0(L1/C时，阻抗角Z0，阻抗Z呈容性；当电抗X0(L1/C)时，阻抗角Z0，阻抗Z呈阻性。复阻抗1 定义：在正弦稳态无源二端网络端钮处的电压相量与电流相量之比定义为该二端网络的阻抗，记为Z.注意：此时电压相量与电流相量的参考方向向内部关联。 （复数）阻抗RX|Z|其中 阻抗Z的模，即阻抗的值。 阻抗Z的阻抗角阻抗三角形 阻抗Z的电阻分量 阻抗Z的电抗分量 电阻元件的阻抗： 在电压和电流关联参考方向下电阻的伏安关系的相量形式为 则 电感元件的阻抗： 在电压和电流关联参考方向下电感的伏安关系的相量形式为jwL_+ 则 电容的阻抗： 在电压和电流关联参考方向下电容的伏安关系的相量形式为 则 容抗欧姆定律的相量形式 二、功率1瞬时功率任意一端口电路N0，在端口的电压u与电流i的参考方向对电路内部关联下，其吸收瞬时功率：若设正弦稳态一端口电路的正弦电压和电流分别为 式中为正弦电压的初相位，为正弦电流的初相位，为端口上电压与电流的相位差。则在某瞬时输入该正弦稳态一端口电路的瞬时功率为则 常量 两倍于原频率的正弦量 不可逆部分 可逆部分2平均功率 P是一个常量，由有效值U、I及，三者乘积确定，量纲：W 当P0时，表示该端口电路吸收平均功率P；当P0时，表示该端口电路发出平均功率|P|。 单一无源元件的平均功率：，。，始终消耗功率。3无功功率正弦稳态一端口电路内部与外部能量交换的最大速率(即瞬时功率可逆部分的振幅)定义为无功功率Q，即： Q也是一个常量，由U、I及三者乘积确定，量纲：乏 吸收无功功率 发出无功功率4视在功率（表观功率），反映电源设备的容量（可能输出的最大平均功率），量纲：伏安（VA）。PQSP、Q和S之间满足下列关系 S 2P 2+Q 2即有 功率守恒情况：瞬时功率守恒：平均功率守恒：在一端口正弦稳态电路吸收的平均功率等于该电路内各电阻所吸收的平均功率之和。无功功率守恒：在一端口正弦稳态电路吸收的总无功功率等于电路内各电感和电容吸收的无功功率之和。视在功率不守恒：应该注意，在一般情况下，总视在功率不等于该电路各部分的视在功率之和。因为一般情况下复数之和的模不等于复数的模之和。例：在RLC串联的电路中,R=30,L=127.4mH,C=39.8F,电源电压,试求感抗容抗和复阻抗;电源有效值及瞬时值表达式各元件电压有效值及瞬时值表达式电路有功功率无功功率及视在功率功率因数做向量图.6、 课堂总结：本节课我们主要学习R、L、C元件伏安关系的相量形式;有功功率、无功功率的意义,要求我们必须理解掌握.7、 布置作业：4.3.2 4.4.7 4