电工基础技术 1

——三、教学设计页（理论和实训结合课程，按4学时/单元设计） 一、授课信息第1单元交流电路的分析1.1实际电路与电路模型1.2电流、电压的参考方向和功率的计算1.3基尔霍夫定律授课学时4学时授课对象***班授课形式PPT、仿真测试、硬件测试授课地点**授课时间第X周周X下午二、教学分析教学内容教学内容理论内容电路的组成部分、电压、电流功率计算、关联与非关联、电压与电位的关系及计算、基尔霍夫电压定律KVL及推广应用、基尔霍夫电流定律KCL及推广应用。实践内容虚拟仿真实训：最简电路测试欧姆虚拟仿真实训：KCL和KVL定律硬件测试实训1：KVL定律的验证岗位分析知识要求

掌握电路的基本组成、电路模型的概念，电流电压的参考方向及功率计算，基尔霍夫定律（KCL、KVL）及其应用。

2.技能要求

能正确识别电路的组成部分，能判断参考方向与实际方向的关系，能计算元件功率并判断电源/负载，能应用KCL、KVL求解简单电路。

3.素质要求

具备严谨规范的电路分析思维，注重科学抽象的研究方法，树立安全用电和规范操作意识。学情分析知识基础

学生已具备物理学中电路初步知识和欧姆定律基础，但对电路模型、参考方向等专业概念较为陌生。

2.能力基础

具备基本的电路连接和万用表使用能力，但对抽象概念的理解和逻辑推理能力有待提高。

3.学习特点

动手兴趣较浓，偏向形象化学习，对抽象的参考方向概念和定律推导易产生困惑，需结合实验和实例增强理解。教学目标知识目标

准确说出电路的组成部分及各部分作用，正确理解参考方向的概念，写出功率计算公式，表述基尔霍夫定律的内容。能力目标

能正确建立简单电路的电路模型，能判断电压电流的实际方向，能计算元件功率并判断电源或负载，能应用KCL、KVL求解简单电路问题。素质目标

养成规范分析电路、严谨推导的科学态度，增强安全用电意识和团队协作精神。思政目标

通过基尔霍夫定律验证，培养学生的工匠精神与团队协作。教学重点基本物理量（电流、电压、功率）、参考方向教学难点电路模型的建立、KCL/KVL的灵活应用三、教学策略教学理念线上线下、理论和虚拟仿真相结合教学方法PPT讲述、视频教学、课堂提问、仿真和硬件测试，小组讨论教学资源微课视频、PPT课件、测试题、作业题、配套教材的仿真案例四、教学过程课前导学1.电路由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

2.为什么要引入"参考方向"的概念？没有参考方向能计算电流电压吗？

3.基尔霍夫定律和欧姆定律有什么不同？它们分别解决什么问题？课中实施【课堂导入】

展示手电筒、手机充电器、台灯等日常电器，提问"这些电器里的电是怎么流动的？我们怎么描述和计算它？"，以此引出电路分析的基本概念和方法。PPT、视频，5分钟。

【理论知识讲解】

1.1实际电路与电路模型（电路组成、理想元件、电路模型），PPT、视频，20分钟

1.2电流、电压的参考方向和功率的计算（参考方向、关联与非关联、功率计算），PPT、视频，35分钟

1.3基尔霍夫定律（KCL、KVL及推广应用），PPT、视频，30分钟

【总结与讨论】电路模型辨识、参考方向判断、功率计算，小组讨论，10分钟

【虚拟仿真测试项目】

1.虚拟仿真实训：最简电路测试欧姆定律，仿真实训，15分钟

2.虚拟仿真实训：KCL和KVL定律验证，仿真实训，20分钟

【实际硬件测试实训】

硬件测试实训1：KVL定律的验证，20分钟

【电路习题训练】

例题讲解和习题训练，15分钟

【穿插课程思政】

案例：结合1.3节基尔霍夫定律的讲解，介绍基尔霍夫的科学探索精神,引导学生体会基础理论的重要性和自主创新的意义。PPT、视频、课堂讨论，5分钟课后延拓和作业实践测量任务保证安全的情况下，观察家中的电器铭牌，记录2-3件电器的额定电压和额定功率，计算其额定电流，并判断是电源还是负载。拓展探究项目查找资料，思考基尔霍夫定律在大规模电网分析中的应用。理论作业教材思考与练习题1.1.2，1.2.6，1.3.2，1.3.3。五、教学评价本单元教学评价分包括：平台签到分：教师发布签到，系统自动计分，占10%课堂回答分：当时给分，占20%仿真实训作业分：课后批改给分，占70%六、教学反思本次课已经结束，反思如下：（每次课后补充）

1.学生对电路模型和参考方向的概念理解需要加强，下次可增加更多生活实例帮助理解。

2.通过仿真实验可以有效提高学生的学习兴趣，但部分学生操作不够熟练，需加强指导。

3.课堂提问和讨论环节参与度较高，但深度有待提升，可设计更有层次的问题。

教学内容和课程思政案例1.1实际电路与电路模型1.1.1实际电路的作用和组成部分有关电路器件用导线连接起来后构成的电流通路叫作电路。电路的基本组成部分必有:电源(或信号源)、负载和中间环节。电源是将其他形式能量转换为电能的装置,如发电机、电池等均为电源,它们可分别将机械能、水能、热能、原子能及化学能转换为电能;负载是将电能转换成其他形式能量的装置,如电动机、灯泡、电热器等均为负载,它们可分别将电能转换成机械能、光能和热能;中间环节包括连接导线、控制开关和保护装置等,主要起传输、控制、分配与保护的作用。如图1-1(a)所示的日光灯电路能把电能转换为光能,其电路模型如图1-1(b)所示,这类电路由于电压较高,电流和功率较大,习惯上常称为“强电”电路;如图1-2所示,用系统框图表示的一个复杂电路,它能把广播电台发送的无线电信号转换成声音重放出来,这类电路通常电压较低,电流和功率较小,习惯上常称为“弱电”电路。这些都是电路的实例。图1-1日光灯电路图图1-2半导体收音机电路框图1.1.2电路模型及其意义为了便于理论研究,揭示电路的内在规律,将实际电路中的各种元件按其主要物理性质分别用一些理想电路元件来表示所构成的电路图,称为电路模型。理想电路元件,就是只反映某一种能量转换过程的元件,是对实际元件在一定条件下进行科学抽象而得到的。例如,电阻R是一种理想电路元件,它只反映电能转换为热能的物理过程。也就是当电流通过某元件发生电能转换为热能的过程,而别的能量转换可以忽略不计时,则该元件就可用一个理想电阻元件R来表示。除了理想电阻元件之外,还有理想电感元件L、理想电容元件C以及理想电源等。如图1-4所示。图1-4理想电路元件模型1.2电流、电压的参考方向和功率的计算1.2.1电流、电压的参考方向1.各物理量实际方向(又称真实方向)的规定电流:是带电粒子在电源的作用下在导体中有规则地定向移动而形成的。其大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。如果电流的大小和方向都不随时间的变化而变化化,这种电流称为直流电流(DirectCurrent,DC),用大写字母I表示;如果电流的大小和方向都随时间的变化而变化,则称为交流电流(AlternatingCurrent,AC),用小写字母i表示。电流这个物理量的单位是安培(库仑/秒)(国际单位制),简称“安”,用大写字母“A”表示。另外还有毫安(mA),微安(μA),它们的换算关系是1A=103mA=106μA既然电流是由带电粒子有规则地定向移动而形成的,那么电流就是一个既有大小,又有方向的物理量。规定在导体中正电荷移动的方向或负电荷移动的相反方向为电流的实际方向。图1-5电动势、电压和电流电源的电动势Eba在数值上等于电源力把单位正电荷从电源的负极b(低电位)经由电源内部移到电源的正极a(高电位)所做的功。电压和电动势都是用来表示一个力移动电荷做功本领的,所以它们的单位相同。在国际单位制中,它们的单位都是伏特(焦耳/库仑),简称“伏”,用大写字母“V”表示。另外还有千伏(kV)、毫伏(mV)和微伏(μV)等。换算关系为1kV=103V;1V=103mV=106μV电压的实际方向规定为由高电位端指向低电位端,即指向电位降低的方向(图1-5中的Uab是由a指向b)。电动势的实际方向规定为在电源内部由低电位端指向高电位端,即指向电位升高的方向(图1-5中Eba在电源内部是由b指向a)。2.各物理量方向的表示法电流:(1)箭头,如图1-6(a)表示电流的方向由a到b;(2)双下标,如Iab,表示电流的方向由a到b(多出现在文字中);(3)结合使用,图1-6(b)表示电流的方向由a到b。图1-6电流的参考方向电压:(1)“+”“-”符号,图1-7(a)表示电压的方向由a到b;(2)双下标,如Uab,表示电压的方向由a到b(多出现在文字中);(3)结合使用,图1-7(b)表示电压的方向由a到b。图1-7电压的参考方向电动势:(1)“+”“-”符号,如图1-5所示,电动势的方向由b到a;(2)双下标,如Eba,表示电动势的方向由b到a(多出现在文字中);(3)结合使用,如图1-5所示,电动势的方向由b到a。电动势的方向多用“+”“-”符号表示。3.各物理量的参考方向复杂电路(见图1-8),电流电压的实际方向是由a到b还是由b到a则不易看出来,在分析计算此电流电压时,结果出来后,不但要知道其数值还要知道其实际方向。图1-8电流电压的参考方向对于各物理量两种可能的方向,任意选取一个方向作为计算的参考标准,则这个所选的方向称为参考方向。当实际方向与参考方向一致时,该物理量定为正值;相反时定为负值。例1.1如图1-6(a)所示部分电路中,I的方向为参考方向,若I=2A,则I的实际方向如何?如图1-7(a)所示部分电路中,U的方向为参考方向,若U=-2V,则U的实际方向如何?解由参考方向的概念可知,I的实际方向为由a到b;U的实际方向为由b到a。4.关于参考方向的说明(1)电路中所标注的各物理量的方向都是指参考方向。(2)在计算电压电流时,必须掌握的原则:先标参考方向,后计算。(3)关联参考方向:元件上电压电流的参考方向选为一致时,称电压电流为关联参考方向。(4)欧姆定律的两种表达式:有了参考方向的概念后,欧姆定律就有两种表达式。图1-9(a)中U=IR;图1-9(b)中U=-IR。图1-9欧姆定律的两种表达式1.2.2功率的计算从物理学中我们已经知道,一个元件上的电功率等于该元件两端的电压与通过该元件电流的乘积,即P=UI(1.4)如果电压和电流都是时变量,则瞬时功率写成p=ui(1.5)当电压的单位为伏特(V)、电流的单位为安培(A)时,功率的单位为瓦特(W)。元件上的电功率有发出和吸收两种可能。我们进行电路分析时,元件上电流和电压的方向都是参考方向,其中有关联的参考方向,也有非关联的参考方向。(1)当电流、电压取关联的参考方向时,见图1-10(a):P=UI或p=ui(1.6)(2)当电流、电压取非关联的参考方向时,见图1-10(b):P=-UI或p=-ui(1.7)图1-10两种不同的参考方向关联方式在此规定下,当计算结果为P>0(或p>0)时,表示元件吸收功率,是负载;反之,当P<0(或p<0)时,表示元件发出功率,是电源。例1.2各元件电流和电压的参考方向如图1-11所示。已知U1=3V,U2=5V,U3=U4=-2V,I1=-I2=-2A,I3=1A,I4=3A。试求各元件的功率,并指出是吸收功率还是发出功率,是电源还是负载,整个电路的总功率是否满足功率守恒定律。图1-11解根据各元件上电流和电压的参考方向及式(1.6)、式(1.7),可得各元件的功率为元件1:P1=U1I1=3×(-2)=-6W(发出功率为电源)元件2:P2=U2I2=5×2=10W(吸收功率为负载)元件3:P3=-U3I3=-(-2)×1=2W(吸收功率为负载)元件4:P4=U4I4=(-2)×3=-6W(发出功率为电源)电路的总功率:P=P1+P2+P3+P4=0(功率守恒)验证功率是否平衡是检验计算结果正误的有效方法,读者应充分利用。1.2.3度的概念在工程上，负载消耗的电能常用“千瓦时”（KW·h）来计量，即通常所说的“度”。国际单位制是焦耳［J］，二者之间的单位换算关系为：1千瓦（1000W）功率的设备使用1个小时，消耗电1度。1.3基尔霍夫定律分析与计算电路的基本性质,除了运用欧姆定律外,还可运用基尔霍夫定律。基尔霍夫定律是进行电路分析的重要定律,是电路理论的基石。要学好本门课程,首先要熟练掌握和运用基尔霍夫定律。在介绍基尔霍夫定律之前,先介绍电路分析中常用的几个名词术语。(1)支路。电路中每一条不分岔的局部路径称为支路,支路中流过的是同一电流。图1-14中共有5条支路。(2)结点。电路中三条或三条以上的支路的连接点,称为结点。图1-14中a、b、c均为结点,共有3个结点。(3)回路。电路中由一条或多条支路构成的闭合路径,称为回路。图1-14中共有6个回路(请读者自行找出)。(4)网孔。平面电路(平面电路是指电路画在一个平面上没有任何支路的交叉)中不含有任何支路的回路,称为网孔。图1-14中共有3个网孔。网孔一定是回路,但回路并非都是网孔。图1-14术语解释电路1.3.1基尔霍夫电流定律(KCL)1.基尔霍夫电流定律(KCL)具体内容对于电路中的任一结点,在任一瞬时流人结点电流的总和必等于流出该结点电流的总和。即∑i入=∑i出或流入结点的代数和恒等于零,即∑i=0基尔霍夫电流定律是电流连续性的表现。如图1-15所示,应用KCL第一句话可得结点a方程I1+I3=I2+I4图1-15基尔霍夫电流定律(KCL)例图注意:在列KCL方程时只根据电流的参考方向来判断电流是流入结点还是流出结点,具体计算时则电流是正值就代入正值,是负值就代入负值。也可应用KCL第二句话列出∑i=0方程(为解方程组的需要,常列此方程)即I1+I3-I2-I4=0在列∑i=0方程时,惯用规定是:在参考方向下,流入结点的电流取正号,流出结点的电流取负号。也可相反规定。例1.3如图1-16所示,求电路中的电流I。图1-16解先求I1、I2(其参考方向若题中未标,则计算前要先标出参考方向)I1=4.8×16I2=12−4.8)×1对结点a列KCL方程I1-I2-I=00.8-1.2-I=0得I=-0.4A2.基尔霍夫电流定律(KCL)的推广应用KCL不仅适用于电路中的结点,还可以推广应用到电路中任意假设的封闭面。如图1-17所示的闭合面包围的是一个三角形电路,由KCL的推广可得IA+IB+IC=0图1-17基尔霍夫电流定律的推广应用1.3.2基尔霍夫电压定律(KVL)1.基尔霍夫电压定律(KVL)具体内容对于电路中的任一回路,从回路中任一点出发,沿规定的方向(顺时针或逆时针)绕行一周,则在任一瞬时,在这个方向上的电位降之和等于电位升之和,即∑u升=∑u降或在这个方向上的各部分电压降的代数和恒等于零,即∑u=0基尔霍夫电压定律是电路中任意一点的瞬时电位具有单值性的结果。如图1-18所示,选cadbc为回路,以顺时针为绕行方向,则U2、U3为电位降,U1、U4为电位升,应用KVL第一句话可得KVL方程U2+U3=U1+U4图1-18基尔霍夫电压定律(KVL)例图注意:在列KVL方程时只根据电压的参考方向来判断电压是电位升还是电位降,具体计算时则电压是正值就代入正值,是负值就代入负值。也可应用KVL第二句话列出∑u=0方程(为解方程组的需要,常列此方程),即U2+U3-U1-U4=0在列∑u=0方程时,惯用规定是:在参考方向下,电位降取正号,电位升取负号。也可相反规定。例1.4如图1-19所示,求电路中的电压US。图1-19解选abcda为回路(在应用KVL解题时,应选最少的回路,列最少的方程求出待求量),以顺时针为绕行方向,由KVL得-US+20-16+120=0得US=124V2.基尔霍夫电压定律(KVL)的另一种形式(可求解电流的方程)如图1-18所示,若要列出与电流I1、I2有关的KVL方程,则由欧姆定律得:U3=I1R1,U4=I2R2,将此两式代入KVL方程U2+U3-U1-U4=0得U2+I1R1-U1-I2R2=0此即为结合欧姆定律的KVL方程。在列写时可直接列出。即规定:电流的参考方向与绕行方向一致时,欧姆定律表达式取正号,相反时取负号。例1.5如图1-20所示,求电路中的电流I。图1-20解选abcda为回路,以顺时针为绕行方向,由欧姆定律的KVL得-10I+20-16+120=0得I=12.4A3.基尔霍夫电压定律(KVL)的推广应用KVL不仅适用于闭合回路,还可以推广应用到回路的部分电路(或开口电路)。如图1-21(a)所示,根据KVL可得UAB+UB-UA=0如图1-21(b)所示,由KVL可得U+IR-E=0图1-21基尔霍夫电压定律的推广应用例1.6如图1-22所示部分电路,各支路的元件是任意的,已知UAB=5V,UBC=-4V。求UCA。图1-22解ABCA不是闭合回路,由KVL的推广得UAB+UBC+UCA=0即5-4+UCA=0得UCA=-1V前面所举的例子是直流电路,但基尔霍夫定律具有普遍性,它不仅适用于不同元件构成的电路,也适用于任一时变电路。在列方程时,必须根据电流、电压的参考方向,按规定取正、负号。思政案例：用数据说话—基尔霍夫定律验证实训中的工匠精神与团队协作量

【案例背景】

电路实训看似简单，却处处考验着学生的耐心与素养。刚接触基尔霍夫定律验证实验时，许多小组都面临"数据关"的挑战：接线错漏导致仪表超量程，读数不准导致偏差超范围，配合混乱导致效率低下，测量误差动辄超过30%，实验结论难以令人信服。