电工基础教学设计

电路的过渡过程学员：寇凯整体设计教学目标：理解过渡过程产生的原因掌握换路定律内容初始值的确定教学重点：过渡过程产生的原因换路定律初始值的确定教学难点：初始值的确定教学方法：课堂讲授教学用具：直流电源、长导线、小灯泡、电感元件、电容元件、电阻元件、小开关、投影仪、PPT课件教学过程设计引入新课：我们知道，电风扇接通电源转速有零逐渐上升到某一恒定转速转动的过程或电风扇切断电源由某一转速逐渐停止的过程，都是过渡过程。这种现象不但在电路中存在，而且在电力系统、机械系统、热系统以及日常生活中都可以看到。例如：汽车静止是处于一种稳定状态，将汽车发动，使其以某一匀速行驶，这中间也要经历一个慢慢启动的过程。新课教学：过渡过程基本概念及产生的原因。电路中的过渡过程一般是快速的、短暂的、持续时间通常是毫秒（ms）、微妙（μs）、纳秒（ns）数量级，当然也有持续时间长的。电路中的过渡过程虽然短暂，但对它的研究是有实际意义的。在电力系统中电路在过渡过程中可能产生高电压、过电流等异常现象。在脉冲数字电子技术中，过渡过程是其正常工作过程，利用过渡过程可以了解脉冲信号的产生、传递、变换等，从而了解其工作原理，实现对它的控制和应用。为了进一步说明电路中产生过度过程的内因和外因，先观察一个实验现象。如图所示：SSRZHLU电灯与一个元件并联，经电阻R接到端电压为U的直流电源上，开关S原先闭合，电灯是亮的。若与电灯并联的是电阻元件R，当开关S断开时，灯泡立即熄灭。说明电路没有经历过渡过程，立即进入新的稳定状态。若与电灯并联的是电感元件L，当开关S断开时，灯光会亮一下然后才熄灭。说明电路经历了过渡过程。若与电灯并联的是电容元件C，当开关S断开时，灯光是逐渐暗淡到熄灭的。说明电路经历了过渡过程。以上三种情况可见，电路中出现过渡过程要有开关S动作，还要有储能元件电感或电容。所以，电路中产生过渡过程有两个原因：电路发生换路。这是电路发生过渡过程的外部原因。电路的接通、断开、短路、切换、改变参数或电源突然发生变化等，统称为换路。电路中含有储能元件（如电感、电容元件），即动态元件。这是过渡过程的内因。因为储能元件所储存的能量要完成其转移或消耗，必须有一定的时间，经历一个过程。因此，物质具有的能量只能渐变而不能跃变（突变），过渡过程的产生是由于能量不能跃变造成的。换路定律由于储能元件能量不能跃变，因而与能量有关的某些量也不能跃变。例如：物体的动能（mv2）不能跃变，因而物体运动的速度v也不能跃变。物体的势能（mgh）不能跃变，因而物体的高度也不能跃变。在电路中，电感元件L储存有磁场能量：WL=LiL2。由于磁场能量不能跃变，因而电感元件中的电流iL就不能跃变。在电路中，电容元件C中储存有电场能量Wc=CUc2。由于电场能量不能跃变，因而电容元件的电压Uc就不能跃变。换路定律：电路在换路时刻，电感电流和电容电压不能跃变，称为换路定律。为了用数字形式表示换路定律，我们设换路时刻为t=0，即换路的计时起点；以t=0-为换路前的一瞬间，电路处于原来的稳态；以t=0+为换路后的一瞬间，电路处于原来的稳态；以t=0+为换路后的一瞬间，电路将向新的稳态过渡，为了区别t=0的前、后一瞬间，我们令：t=0-表示原稳态的终止瞬间。t=0表示换路瞬间。t=0+表示新稳态的开始瞬间。则在t=0的时刻，电感电流iL和电容电压Uc不能跃变的规律可表示为：iL(0+)=iL(0-)uC(0+)=uC(0-)上式就是电路的换路定律的数字表达式。必须注意：换路时，电感上的电压和电容中的电流是可以跃变的，因为它们的跃变并不影响L和C中能量的跃变。再有，电阻上的电压和电流在换路时也可以跃变，因为电阻只是一个耗能元件。初始值的计算。研究过渡过程的任务就是研究电路发生换路时，电压和电流是从什么时候，以什么值开始变化的，最终以什么值结束，以及其中变化的快慢和变化的规律。所以，在分析电路的过渡过程时，必须知道过渡过程的初始值，稳态值（终止值）以及决定过渡过程快慢的时间常数。只有这样，才能求出过渡过程的整个变化规律。所谓初始值，就是指电路中各元件的电压、电流在换路的最初一瞬间（t=0+）的值。其具体步骤为：画出换路前的稳态电路（t=0-）的等效电路。在该电路中求出电容电压Uc(0-)和电感电流iL(0-)。由换路定律作出t=0+时的等效电路。根据t=0+时的等效电路，运用直流电路的分析方法，计算出待求电流、电压的初始值。课堂小结：过渡过程基本概念及产生的原因。