RLC串联电路的暂态过程教案

温州大学课程教案RLC串联电路的暂态过程学院物理与电子信息工程学院课程名称普通物理实验（三）学时3教材大学基础物理授课教师罗海军授课对象11物本2012年10月

授课时间：具体见运行表格。授课类型：实验课授课题目：RLC串联电路的暂态过程本授课单元教学目标：1．研究、串联电路的暂态特性。2．利用示波器来记录和显示图像。3．加深对、和各元件在电路中的作用的认识。本授课单元教学重点和难点：重点：1．串联电路的暂态过程的特性；2．欠阻尼状态过程的串联电路的暂态特性。难点：1．三种阻尼状态的特征和条件的分析。2．数据的记录和作图分析。3.示波器的操作。本授课单元教学过程设计：实验理论指导采用黑板板书和幻灯片或PPT媒体教学等相结合。黑板板书主要列数据的记录和处理以及注意事项。本单元分3课时完成：1．课前预习报告检查和座位安排：10-20分钟（提前进行）。2．理论指导：20-30分钟：3．学生实验及指导：115－125分钟。理论指导：0-5min：实验背景、实验目的、实验仪器介绍。板书知识点如下：（一）实验背景（幻灯片）1．电路暂态过程就是电源接通或断开“瞬间”，电路中的电流或电压非稳定的变化过程。2．电路必须预先考虑到暂态过程中的过渡现象，3．暂态过程可以从积极方面控制和利用，如提高过渡速度，可获得高电压或大电流等。（二）实验目的（幻灯片）1．研究串联电路的暂态特性。2．研究串联电路的暂态特性。3．加深、和各元件在电路中的作用。（三）实验仪器（幻灯片）双踪示波器、信号发生器、万用表、电容器、电感器、电阻箱等。5-10min：实验原理的讲解：板书主要知识点：（四）实验原理（幻灯片）1．串联电路暂态过程将电阻和电容串联成如20-1所示的电路图，当与“1”接通时，其充电方程为：（20.1）或写成（20.2）图20-1RC串联电路的暂态过程示意图上述方程的初始条件是，因此可以解出式（20.2）的解（20.3）式中（）称为串联电路的时间常数，单位为秒；（）为电容器端电压为时所贮藏的电荷量大小，单位为库仑；为时刻电容器贮藏的电荷量。由式（20.3）可计算出电容和电阻两端的电压与时间关系的表达式：（20.4）（20.5）当与“0”接通时，放电方程为：（20.6）根据初始条件，可以得到（20.8）（20.9）由上述公式可知，，和都按指数变化，值越大，则变化越慢，即电容的充电或放电越慢。图20-2给出了不同值的变化情况，其中。图20-2不同值的变化示意图2．串联电路的暂态过程将、和元件串联组成如图20-3所示的电路图，先将K打向“1”，待稳定后打向“2”，这称为串联电路的放电过程。此时方程为：,即。由于，则得（20.10）初始条件为，和，这样方程的解可以分为以下三种情况：（1）当时，为欠阻尼状态。式（20.10）的解为图20-3串联电路的暂态过程（20.11）其中，。当时，这时值很大，振幅的衰减很慢，阻尼振动接近于电路的自由振荡，此时。（2）当时，为过阻尼状态，不再出现振荡状态，式（20.10）的解为（20.12）（3）当时，为临界阻尼状态，式（20.10）的解为（20.13）图20-4为上述3种情况下的变化曲线，其中1为欠阻尼，2为过阻尼，3为临界阻尼。图20-4串联电路放电时的曲线示意图对于充电过程，与放电过程类似，只是初始条件和最后平衡的位置不同。5min：实验内容讲解：板书主要知识点：（五）实验内容（幻灯片显示主要大标题）1．串联电路暂态过程的观测参照图的电路图，为示波器，为方波信号发生器，用来代替图20-1中的直流电源和开关。如图20-6所示，方波信号在到时间内，以恒定电压加在电路两端，这时电容在充电，而在到时间内，输出电压降到零，相当于放电过程。在此实验中，用示波器观测电容器的周期性充放电过程，显示出电容两端的电压变化规律。图20-5串联暂态过程电路图图20-6方波信号和充放电示意图（1）取，，。选用合适的示波器扫描速率档位和衰减档位，完整地显示暂态过程。（2）改变（参考值和）或者值，观测的变化情况，记录此两种情况下一个周期内的值，并分别测量时间常数。（3）改变方波频率（，频率参考值：），观察波形的变化情况，记录一个周期内的值分析相同的值在不同频率时的波形变化情况。图20-7串联暂态过程电路图2.串联电路暂态过程的观测（1）观测三种阻尼状态电路如图20-7，方波信号取，电容取，，改变电阻值，在示波器上观测三种阻尼状态的波形。实验时电阻由小到大逐渐增大，最初出现欠阻尼状态，当数值增大到某一数值（），波形刚好不出现振荡，电路处于临界阻尼状态，记下临界电阻，继续增大电阻，便出现过阻尼状态。（2）测量欠阻尼状态振荡周期和时间常数。选一欠阻尼状态波形（建议，测量其个周期的时间，求出周期，记下、和的值。测量欠阻尼状态的电压，绘出相应的状态波形。黑板板书：（六）数据记录和处理(10min)1．串联电路暂态过程的观测(1)研究不同时间常数值的RC串联电路的暂态过程；；①，示波器扫描速率（TIME/DIV）档位：；衰减（V/DIV）档位：。T（格）0.00……(格)0.00②，示波器扫描速率（TIME/DIV）档位：；衰减（V/DIV）档位：。格；。T（格）0.00……(格)0.00(2)研究不同频率下的的RC串联电路的暂态过程()③，示波器扫描速率(TIME/DIV)档位：；衰减(V/DIV)档位：。T（格）0.00……(格)0.002.串联电路欠阻尼暂态过程的观测④，，，。示波器扫描速率(TIME/DIV)档位：；衰减(V/DIV)档位：。T（格）(格)（七）注意事项（2min）1．示波器注意要选择合适的扫描速率档位和衰减档位。以显