参考样例2——电工电子技术教案7-11

1、科目电工电子技术应 用课题直流电路原理与实践授 课讲 次7-11课时12班 级1247/1248授课方式问题引导+探究式学习+任务驱动教学法课后作业2所用时 间90分钟教学目的应知1、 了解电阻连接方式：串联、并联和混联2、 了解电源的串并联方式3、 掌握基尔霍夫定律和戴维南定理4、 掌握电压源与电流源的等效变换使用教学媒体多媒体教室电工电子实训室应会学会运用基尔霍夫定律、戴维南定理解决实际电路问题。重点掌握各类电工仪表的结构特点、内部电路的工作原理、使用方法、量程的选择和在使用过程中的注意事项。难点万用表的使用方法。教学回顾1、电流表、电压表、万用表的基本组成2、各类仪表的结构特点、工作原理

2、3、万用表的使用方法 教 学 过 程教学内容与课堂组织【教学回顾】 快速复习上次课的知识，重点强调上节课的重点和难点。【新课导入】 问题引导由简单问题引出教学内容：问题：简单电路是指可以用元件的串、并联加以化简求解的电路，复杂电路是指不能用元件的串、并联化简得以求解的电路 ，如下图所示电路。提问2-3人，引起大家对本次课题的注意【新课教学】引入正题：解决这一类问题可以用基尔霍夫定律，基尔霍夫定律有两部分，分别是基尔霍夫电流定律阐述节点电流之间的关系；基尔霍夫电压定律阐述回路电压之间的关系。通过基尔霍夫电流、电压定律，针对上述电路中的节点和回路分别列出方程，再对方程加以求解，就可以解决上面提出来

3、的问题。那么，基尔霍夫定律究竟是什么呢？下面我们通过同学们自己的试验、测试来探索得出其具体内容。基尔霍夫定律：一、基尔霍夫定律简单电路是指可以用元件的串、并联加以化简求解的电路，复杂电路是指不能用元件的串、并联化简得以求解的电路，解决这一类问题可以用基尔霍夫定律，基尔霍夫定律有两部分，分别是基尔霍夫电流定律阐述节点电流之间的关系；基尔霍夫电压定律阐述回路电压之间的关系。通过基尔霍夫电流、电压定律，针对上述电路中的节点和回路分别列出方程，再对方程加以求解，就可以解决上面提出来的问题。为了叙述方便，先对节点、支路、回路三个概念作一下解释。(1)支路无分支的一段电路，支路中各处电流相等，称为支路电流

4、。(2)节点三条或三条以上支路的连接点。(3)回路由一条或多条支路所组成的闭合电路。(4)网孔电路中不包含其它支路和回路的最小回路基尔霍夫电流定律（KCL）：在任一瞬间，流向某一节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。 I入=I出基尔霍夫电压定律（KVL）：在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。二、基尔霍夫定律的推广应用1、基尔霍夫电流定律可扩展应用于任一闭合面。结论：在任一瞬间，通过任一闭合面电流的代数和也恒等于零。IBICIE例1：一个晶体三极管有三个电极，各极电流的方向如图所示，各极电流关系如何？解：晶体管可看成一个闭合面 则有 IE =IB+ IC例2：两个电

5、气系统若用两根导线连接，电流I1和I2的关系如何？若用一根导线连接，电流I是否为零？解：将A电气系统视为一个广义节点，则对图a有I1=I2 对图b则有I=0解：将A电器系统看作一个广义节点。则对图3（a）：I1=I2；对图3（b）：I=0。结论：基尔霍夫电流定律可推广应用于广义节点。2、基尔霍夫电压定律扩展应用于回路的部分电路如果把并未闭合的回路AOBA看成一个虚拟的闭合回路。 则 UAB+UB -UA =0 => UAB=UA-UB同理，我们来看一下一段有源电路的欧姆定律表达式：U=E-IR0可见用欧姆定律与基尔霍夫定律解答是一致的；所以基尔霍夫定律可以应用于简单或复杂的一切电路。下面

6、再举一个基尔霍夫电压定律应用的例子。例3：在下图所示电路中，已知U1=10V，E1=4V，E2=2V，R1=4，R2=2，R3=5，1、2两点间处于开路状态，试计算开路电压U2。解：对左回路应用基尔霍夫电压定律可得：E1=I（R1+R2）+U1得：I=(E1- U1) /（R1+R2）=-1A再对右回路列出：E1-E2=IR1+U2得：U2=E1-E2-IR1=6V导入：求解复杂电路的方法有多种，我们可以根据不同电路特点，选用不同的方法去求解。其中最基本、最直观、手工求解最常用的就是支路电流法。三、支路电流法利用支路电流法解题的步骤：（1）任意标定各支路电流的参考方向和网孔绕行方向。（2）用基

7、尔霍夫电流定律列出节点电流方程。有n个节点，就可以列出n-1个独立电流方程。（3）用基尔霍夫电压定律列出L=b-（n-1）个网孔方程。说明：L指的是网孔数，b指是支路数，n指的是节点数。（4）代入已知数据求解方程组，确定各支路电流及方向。例1试用支路电流法求图1中的两台直流发电机并联电路中的负载电流I及每台发电机的输出电流I1、和I2。已知：R1=1，R2=0.6，R=24，E1=130V，E2=117V。解：（1）假设各支路电流的参考方向和网孔绕行方向如图示。（2）根据KCL，列节点电流方程该电路有A、B两个节点，故只能列一个节点电流方程。对于节点A有： I1+I2=I （3）列网孔电压方程

8、该电路中共有二个网孔，分别对左、右两个网孔列电压方程： I1 R1- I2 R2+ E2-E1=0 I R+I2 R2- E2=0 （沿回路循行方向的电压降之和为零，如果在该循行方向上电压升高则取负号） （4）联立方程，代入已知条件，可得： -I1-I2+I=0 I1-0.6I2=130-117 0.6I2+24I=117解得各支路电流为：I1=10A I2=-5A I=5A从计算结果，可以看出发电机E1输出10A的电流 ，发电机E2输出-5A的电流，负载电流为5A。由此可以知道：结论：两个电源并联时，并不都是向负载供给电流和功率的，当两电源的电动势相差较大时，就会发生某电源不但不输出功率，反

9、而吸收功率成为负载。因此，在实际供电系统中，直流电源并联时，应使两电源的电动势相等，内阻应相近。 所以当具有并联电池的设备换电池的时候，要全部同时换新的，而不要一新一旧。例2 用支路电流法列出如图2电路中各支路电流的方程。（已知恒流源IS所在支路电流是已知的）解： 由电路图可见该电路中有一恒流源支路，且其大小是已知的，所以在解题的时候只需要考虑其余两条未知支路的电流即可。（1）假设流过R1、R2的电流方向及网孔绕行方向如图示。 （2）列节点电流方程： I1+I2= IS （3）列网孔电压方程 I2 R2+E-I1 R1=0 联立以上两个方程，代入数据即可求得。例3 试用支路电流法求解如图3电路

10、中各支路电流，列出方程。 解：各支路电流、网孔绕行方向如图3示。列KCL、KVL定律，得： I1+I2+10=I E2-I2 R2+ I1 R1- E1=0I RL+I2 R2- E2=0例4 用支路电流法求解电路图4中各支路的电流。解：可以看出该电路共有6条支路，4个节点，3个网孔。 设定各支路电流和网孔绕行方向如图标示。(1)根据KCL定律，列节点电流方程（可列三个独立方程） I1+I6=I2 I3+I4=I1 I4+I6=I5 (2)根据KVL定律，列出回路电压方程（可立出三个独立的回路电压方程） I1R1-I6R6+I4R4=0 I2R2+I5R5+ I6R6 =0 - I4R4 -

11、I5R5+I3R3-E=0从该例发现，用支路电流法求解支路数量较多的电路时，所需列的方程数也较多，这就使得求解较为繁杂了。那么针对这样的电路，有没有什么更适合的方法来求解呢？电源的等效变换、戴维南定理电源是电流流动的源动力，实际电路中电源以两种形式存在即独立电源和受控源。独立电源是指不受外电路控制而独立存在的电源，比如电池、发电机。受控源是指它们的电压或电流受电路中其他部分的电压或电流控制的电源。任何一个实际电源在进行电路分析时，都可以用一个电压源或与之等效的电流源来表示。一、直流电压源直流电压源是电子学应用中最重要的能源之一，所以了解其特性是十分重要的。理想电压源为负载提供不变的电压，即使负

12、载电阻是变化的。、理想电压源图1(a)所示为理想电压源的常用符号。无论什么样的负载电阻接在输出端上，它的两端A和B之间的电压总保持不变。图1(b)连接了一个负载电阻RL。全部的电源电压US都加在负载电阻RL的两端。理想情况下，RL可以变成任何非零值，而电压保持不变。理想电压源的内阻为零。、实际电压源实际上并没有理想的电压源。也就是说，所有的电压源基于物理和化学结构都有固有的内阻，这可以表示为一个与理想电压源串联的电阻，如图2(a)所示。RS为电压源内阻，U S为源电压。无外接电阻时，输出电压（A到B的电压）为US。这个电压有时称为开路电压。 图2 实际电压源、电压源的负载特性当一个负载电阻连接

13、到输出端时,如图2 (b)所示，并不是全部的源电压都加在上。因为和串联，所以一部分电压加在了上。如果S比L小很多，那么电源接近理想情况，几乎所有的电源电压U都加在电阻上，内阻两端的电压降很小。如果变化，只要L比S大很多，输出端就仍保持绝大部分电源电压。所以输出电压的变化很小。与S相比，L越大，输出电压的变化就越小。测试试验电路1中不同L和S两种情况可以发现，在S一定的情况下，L越大，输出电压变化越小，越接近于电源两端电压；在L一定的情况下，改变串进去的内阻S的大小，输出电压有些微弱变化，S越小，输出电压越稳定。例1图3中，计算当RL取值为100，560和1.0K时，电源电压的输出值。解：当RL

14、100时，输出电压为：当RL560时，当RL1.0K时，注意输出电压的变化在源电压Us的10%范围内，这是因为在RL所取的3个值中，RL至少是Rs的10倍。与相比，越大，输出电压的变化就越小，输出越稳定。思考题：图3中，当Rs50，RL10K时，计算VOUT的值。例2图3中，计算当RL10，RL1.0时VOUT的值。解：当RL10时，输出电压为：当RL1.0时，例2中，当RL相对于Rs变得更小时，输出电压明显降低。此例说明为保持输出电压接近于其开路电压，必须要求RL远大于Rs。二、电流源电流源是对负载电阻(即使负载电阻阻值变化)提供理想恒定电流的另一种供能元件。电流源的概念对某些晶体管电路来说

15、很重要。、理想电流源图4（a）所示为理想电流源的符号。箭头指明了源电流Is的方向。理想电流源为负载提供恒定的电流无论负载的值多大。图4（b）中所示的负载电阻接在电流源的A和B两端，说明了这个概念。理想电流源的内阻为无穷大。虽然可利用理想电流源进行绝大部分的分析工作，但实际上理想的器件并不存在。、实际电流源图5描述了一个实际电流源，其内阻与理想电流源并联。如果内阻Rs远大于负载电阻，则实际电流源接近理想电流源。如图5中的实际电流源所示，电流Is的一部分流经Rs，另一部分流经RL。电阻Rs和RL起电流分流器作用。如果Rs远大于RL，则绝大部分电流流经RL，而只有很少的电流经Rs。只要RL远小于Rs

16、，流经RL的电流就为常量，而无论它变化多少。 3、电流源的伏安特性曲线如果存在一个常量电流源，一般可以认为负载RL与Rs相比小到可以忽略的程度，这就将电流源简化为理想情况，使分析更简单。例3 计算图6中的负载电流值，RL分别取以下值：100，560和1 K。解：当RL100时，负载电流为：当RL560时，当RL1.0K时，从例3中， 说明当RL远小于Rs时，RL的变化对负载电流的影响。一般情况下，Rs应该至少是RL的10倍（10RLRs）。注意输出电流IL的变化在源电流的10%范围内，这是因为Rs至少是RL的10倍。三、电压源和电流源的等效变换从前面的分析，可以知道电压源和电流源的伏安特性曲线

17、是相同的，所以电压源和电流源两者之间是可以等效变换的。(a)实际电压源电路 (b)实际电流源电路 图7 两种实际电源的等效变换分析：从图7(a)电路可得： U=E-I R0将上式两边除以R0再移项，得 I=E/ R0-U/ R0 （1）从图7 (b)可得：I=IS-U/ R0 （2）因此，只要满足条件 IS=E/ R0 R0= R0 （1）、（2）两式完全相等。所以，1、等效条件（1）电压源转换为电流源的等效条件为： IS=E/ R0 R0= R0 （2）电流源转换为电压源的等效条件为： E =IS R0 R0 = R0可见，对一个外电路来说，一个内阻不为零或无穷大的实际电源，既可用电压源表示

18、，又可以用等效的电流源表示。所谓的电压源或电流源不过是同一实际电源的两种不同表示方法而已。实际上，内阻较大的电源用电流源表示，内阻较小的用电压源表示比较方便。例4 将图8中的电压源转化为等效电流源，并画出等效电路。解： 内阻相等。 所以图9所示即为等效电流源电路。提问：对于Us=12V和Rs=10的电压源，计算其等效电流源的Is和Rs值。例5 将图10中的电流源转化为等效电压源，并画出其等效电路。解： 内阻相等 所以等效电压源电路如图11。、电压源和电流源等效变换时应注意的问题：（）形式：电压源为理想电压源和内阻串联；电流源为理想电流源和内阻并联。（）极性必须一致：电流源流出电流的一端为电压源

19、的正极性端。（）等效是相对于外电路而言的。（）理想电压源和理想电流源不能进行这种等效变换。（）在变换关系 中，s不仅仅局限于内阻，也可扩展至任一电阻。（）理想电压源和理想电流源相串联时等效为电流源；相并联时等效为电压源。例6 电路如图12，已知E1=12V，E2=24V，R1=R2=20，R3=50，试用电压源与电流源等效变换的方法求出通过电阻R3的电流I3。 图12 解：解题思路：先将两个电压源分别转为电流源，然后利用电流源的叠加将其转换为一个电流源的电路，再利用分流公式即可求出。也可再将其转为电压源电路再解答。各步电路如图12（a）（b） 12（a） 12（b）（a）IS1=E1/R1=0

20、.6A，IS2=E2/R2=1.2A，IS= -IS1+ IS2=0.6A（选IS2的方向） （b）I3=-R/（R+R3）* IS=-0.1A（负号说明电流I3的实际方向与参考方向相反）例7 用电源模型等效变换的方法求图（a）电路的电流I1和I2。解：将原电路变换为图（c）电路，由此可得：l 定义：叠加原理，是指在一个包含多个电源的线性电路中，各支路的电流（电压）等于各个电源分别单独作用时，在各支路所产生的电流（电压）的代数和。四、戴维南定理 先从生活中的例子，举例说明二端网络，如电源插座。再引入其概念。1、二端网络：具有两个向外电路接线的接线端的网络。(1) 有源二端网络：二端网络中含有电

21、源。(2) 无源二端网络：二端网络中没有电源2、戴维南定理：指的是任一线性有源二端网络，对其外电路来说，都可以用一个电动势为E的理想电压源和内阻为Ro相串联的有源支路来等效代替。又称电压源定理。其中，E为该有源二端网络的开路电压Uo，内阻Ro等于网络中所有理想电源均除去时（理想电压源短路，理想电流源开路），二端网络中的等效电阻。例1：电路如图2，已知E1=4V，R1= R2=2，R=1，试用戴维南定律求I和U 图2解：用戴维南定理求解，就是将电路等效为电压源电路，然后求所要求的未知量。（1）将原电路等效为戴维南等效电路，如图2（a）图2（a） 接下去，我们就是要求出等效电路中的各个参量。（2）

22、将待求支路断开，求有源二端网络的开路电压Uo，如图2（b） 图2（b）Uo=R2/（R1+R2）*E1=2V即等效电路中的电源电动势E=UO=2V（3）求有源二端网络变无源二端网络时的等效电阻Ro，如图2（c） 图2（c）Ro= R1R2=1 （3）根据戴维南等效电路中，求 I和U I=E/（Ro+ R）=1A U=IR=1V例2：电路如图3，已知IS=4A，R1= R2=1，R3=1，R=1，试用戴维南定律求I 图3 解：（1）将R支路开路，求有源二端网络的开路电压Uo，如图3（a） 图3（a） Io=R1/ R1+（R2+ R3）* IS=1A Uo=Io R3=2V=E （2）除去电流源

23、（开路），求等效电阻Ro，如图3（b） 图3（b） Ro=（R1+R2）R3 =1 （3）等效电压源，求I I=E/（Ro+R）=1A例3：电路如图4，已知E1=12V，E2=15V，R1=6，R2=3，R3=2，试用戴维南定律求通过电阻R3的电流I。图4 图4（a） 图4（b） 解：（1）求开路电压，如图4（a） I=（E1+ E2）/（R1+ R2）=3A Uo=-I R2+ E2=6V （2）求等效电阻Ro，如图4（b） Ro= R1R2=2 （3）根据等效电压源，求I I=E/（Ro+R3）=1.5A教 学 过 程学生学习内容与课堂练习一、学生总结基尔霍夫定律二、学生在总结基础上，自我验证基尔霍夫定律的正确性。（一）、任务目的：（1）掌握基尔霍夫定律。（2）学会运用基尔霍夫定律进行电路分析。利用支路电流法求解复杂直流电路（二）、任务器材： 指针式万用表1个、电工实验箱1台、导线若干。(三)、任务实施步骤：本学习工作要求各小组根据电路图在电工电子试验箱中自主完成电路连接，并利用万用表测出各支路电流，完成基尔霍夫定律的验证性实验。 基尔霍夫电流定律（KCL）：在任一瞬间，流向某一节点的电流