学习情境一 手电筒电路的分析与测试课件

学习情境一手电筒电路的分析与测试知识目标．了解电路和电路模型的基本概念；．理解电路基本物理量的概念；理解电阻元件的基本概念，掌握欧姆定律；．理解理想电压源和理想电流源的基本特性，掌握实际电压源模型和电流源模型；．理解基尔霍夫定律和基尔霍夫电压定律并掌握其应用。技能目标．能阐述基本电子元器件的特性与作用；．具有识读简单电路图，计算电路基本物理量的能力。素质目标．养成勤于思考的学习习惯；．培养学生的职业意识任务一认识手电筒电路任务二认识电阻、电源任务三剖析手电筒电路规律

情境任务能力目标知识目标能画出手电筒电路的模型能分析电流的实际方向能进行电功率的计算理解电路与电路模型的概念，电路的组成及作用；掌握电流、电压、电功率、电能的概念；掌握电压、电流的实际方向和参考方向的规定。任务一认识手电筒电路小电珠为什么会亮？光亮（能量）从哪里来的？怎样实现能量转换？问题的提出实体电路负载电源开关连接导线初析手电筒

(1)电路的概念由实际元器件构成的电流的通路称为电路。知识一电路与电路模型1.实际电路的组成与功能

电路通常由电源、负载和导线及控制设备等中间环节三部分组成。（2）电路的组成火线..零线电源连接导线和其余设备为中间环节负载

(3)电路的功能电路可以实现电能的传输、分配和转换。电力系统中电子技术中电路可以实现电信号的传递、变换、存储和处理。

(4)电路的分类

直流电路、交流电路（1）常见理想电路元件－－实际器件加以理想化R+

US–电阻元件电能转换为其它能，只具耗能的电特性电容元件，电能转为电场能，只具有储存电能的电特性理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定理想电流源

输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定。L电感元件，电能转换为磁场能，只具有储存磁能的电特性IS

理想电路元件其电特性单一、精确，可定量分析和计算。分为无源元件和有源元件。C2.电路模型（2）电路模型实体电路负载电源开关连接导线SRL+

U–IUS+_R0电路模型电源负载中间环节

用抽象的理想电路元件及其组合，近似地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型，简称电路。（3）利用电路模型研究问题的特点电路模型是用来探讨存在于具有不同特性的、各种真实电路中共同规律的工具。电路分析基本理论中运用电路模型，其主要任务就是在寻求实际电路共有的一般规律、探讨各种实际电路共同遵守的基本规律带来方便。检验学习结果电路由哪几部分组成？各部分的作用是什么？何谓理想电路元件？其中“理想”二字在实际电路的含义？如何学好本课程？如何在电路中区分电源和负载？试述电路的功能？何谓“电路模型”？

学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个基本关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。电池数量不同会造成什么差异？电珠亮度为什么不同？问题的提出手电筒实际电路负载电源开关连接导线再析手电筒电流电压电能电功率知识二电路的基本物理量知识二电路的基本物理量1.电流从物理学得知，电荷的定向移动形成电流。电流既有大小又有方向。大小用电流强度来度量，单位时间内通过导体横截面的电荷量称为电流强度，用i表示，即i

dqdt=

(1)电流的大小稳恒直流情况下I

Q

t=国际单位制(SI)中，电流的单位是安培，简称安(A)，实用中还有毫安(mA)和微安(μA)等。1A=103mA=106μA=109nA

•单位换算直流电流—大小和方向都不随时间变化的电流。常简写作dc或DC，其强度用符号I表示。变动电流—大小和方向都随时间变化的电流。强度用i表示。其中，一个周期内电流的平均值为零的变动电流称为交流电流，常简写作ac或AC，其强度也用符号i表示。（2）电流的种类

(3)电流的方向实际方向：习惯上规定以正电荷移动的方向为电流的正方向。

电路图上标示的电流方向为参考方向，参考方向是为列写方程式提供依据的，实际方向根据计算结果来定。

结论：如果求出的电流值为正，说明实际方向与参考方向一致，否则说明实际方向与参考方向相反。电流值的正与负，在设定参考方向的前提下才有意义！电流参考方向的两种表示：

用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。

用双下标表示：如

iAB

,

电流的参考方向由A指向B。iABiABAB

在直流电路中，测量电流时，应根据电流的实际方向将电流表串入待测支路中，如图所示，电流表两旁标注的“+”“—”号为电流表的极性。（4）直流电流的测量2.电压Iab+

U–RL_SUs+R0路端电压U电压的大小反映了电场力作功的本领；电压是产生电流的根本原因；其方向规定由“高”电位端指向“低”电位端。电压的单位是伏［特］,符号为V常用的有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）等。（1）电压的种类：直流电压,用大写字母U表示；

交流电压,用小写字母u表示。（2）电压的方向：电位真正降低的方向为电压的实际方向。(1)用箭头表示(2)用正负极性表示(3)用双下标表示UU+ABUAB电压参考方向的三种表示方式：当电压的参考方向与实际方向相同时，电压为正；反之，为负。（3）直流电压的测量

在直流电路中，测量电压时，应根据电压的实际极性将直流电压表并接在待测支路两端。

如图所示，若Uab=10V，Ubc=－3V，测量这两个电压时应按图示极性接入电压表。电压表两旁标注的“+”、“－”号分别表示电压表的正极性端和负极性端。

电流的参考方向和电压的参考极性原则上可以各自独立设定。但为了方便，通常采用关联参考方向，即电流从电压“+”极流入，从“-”极流出（称两者参考方向一致），如图(a)所示。图(b)中两者参考方向不一致时，称为非关联参考方向。

用过很长一段时间后，电珠还很亮吗？它的能量哪里去了？问题的提出手电筒实际电路负载电源开关连接导线三析手电筒3.电能•电流能使电动机转动、电炉发热、电灯发光，说明电流具有做功的本领。电流做的功称为电功，也称电能。单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】若U【KV】；I【A】；t【h】时，电功W为度【KW·h】1度电的概念1000W的电炉加热1小时100W的灯泡照明10小时40W的灯泡照明25小时

•

日常生活中，用电度表测量电功。当用电器工作时，电度表转动并且显示电流作功的多少。显然电功的大小不仅与电压电流的大小有关，还取决于用电时间的长短。W=UIt•

单位时间内电路吸收的电能称为电路吸收的电功率，电功率的大小表征了设备能量转换的本领。单位瓦特（瓦）W。4.电功率

图(a)所示方框为电路中的一部分a、b段，图中采用了关联参考方向，在直流电路中，P

0时，表明该段电路吸收功率；当P0时，即产生功率。若为非关联参考方向，如图(b)所示，则结论怎样？

①在u、i

为关联参考方向下，若u、i

为非关联参考方向，注意：②P

“+”或“-”表示了能量的流向。

③P吸收=P产生，叫功率平衡，即P

“+”表示P＞0吸收（消耗）能量P

“-”表示P＜0产生（提供）能量•用电器的铭牌数据值称为额定值，额定值指用电器长期、安全工作条件下的最高限值，一般在出厂时标定。•额定电功率反映了设备能量转换的本领。例如额定值为“220V、1000W”的电动机，是指该电动机运行在220V电压时、1秒钟内可将1000焦耳的电能转换成机械能和热能；“220V、40W”的电灯，表明该灯在220V电压下工作时，1秒钟内可将40焦耳的电能转换成光能和热能。

图示电路，若已知元件功率为－20W，电压U为5V，求电流I。+UI元件I=PU=－205=－4A

解

图示电路，已知元件中通过的电流为－100A，电压U为10V，电功率P。并说明元件性质。+UI元件

解P=UI=10×(-100)=1000W元件吸收正功率，说明元件是负载。例例图为某电路中的一部分。已知I=2A，U1=-2V。

(1)求元件1的功率P1，并说明是吸收功率还是向外提供功率。(2)若元件2向外供出的功率为10W，元件3吸收的功率为12W，求U2和U3。

例解(1)由于元件1的电压、电流为非关联参考方向，故P1=-U1I=-(-2)×2=4W(吸收)

(2)由于元件2和元件3的电压、电流均为关联参考方向，且元件2向外供出功率，而元件3吸收功率，故P2=-10W=U2I

P3=12W=U3I则想想、练练电路分析中引入参考方向的目的是什么？

电功率大的用电器，电功也一定大，这种说法正确吗？为什么？电路的组成与功能，电路模型；电流、电压的实际方向和参考方向（重点）；电流、电压的测量；功率表达式；吸收功率还是发出功率的判断（重点、难点）小结任务一认识手电筒电路任务二认识电阻、电源任务三剖析手电筒电路规律

情境任务能力目标知识目标能识别色环电阻的阻值；

能写出电阻元件电压与电流的关系式；能应用电压源和电流源的特性分析简单电路。知道温度对电阻的影响；明白线性电阻元件电压与电流的关系并能应用；能说出电压源、电流源的伏安关系。任务二认识电阻和电源电珠的亮度是否与自身性质有关？电灯泡与电珠发光原理一样吗？问题的提出手电筒实际电路负载电源开关连接导线四析手电筒知识三电阻元件压敏电阻碳膜电阻贴片电阻热敏电阻水泥电阻滑线电阻电位器1.电阻元件及伏安特性电阻元件对电流呈现阻力的元件。其特性可用u～i平面上的一条曲线来描述：线性、非线性iu（1）定义伏安特性0（2）线性时不变电阻元件R任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。严格讲，电阻器、白炽灯、电烙铁等实际元件的电阻或多或少都是非线性的。线性电阻u～iR称为电阻，单位：

(Ohm)2.欧姆定律

单位G

称为电导，单位：S(Siemens)u、i

取关联参考方向伏安特性为一条过原点的直线ui0Rui+－说明线性电阻是无记忆、双向性的元件；如电阻上的电压与电流参考方向非关联，公式中应冠以负号。欧姆定律只适用于线性电阻(

R

为常数）；则欧姆定律写为u–Rii–Gu公式和参考方向必须配套使用！注意Rui-+根据电阻色环识别电阻阻值

ui3.电阻的开路与短路短路开路uiRiu+–u+–i004.电阻元件的功率与能量电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p

-ui-(–Ri)i

i2R

u2/Rp

ui

i2R

u2/R功率Rui+-表明Rui-+从t0到t

电阻消耗的能量能量限流、耗能电阻元件性质想想、练练有人说欧姆定律写成U=-RI,说明此时的电阻是负的。这种说法对吗?这些电路中的电压、电流和电阻分别为多少？干电池有什么特点？发电机和干电池有什么异同点？问题的提出手电筒实际电路负载电源开关连接导线五析手电筒1.电压源理想电压源的定义理想电压源的特点能独立向外电路提供恒定电压的二端元件。恒压不恒流。US恒定，I由电源和外电路共同决定。USUI0理想电压源的伏安特性理想电压源的图符号平行于电流轴的一条直线US知识四电压源和电流源理想电压源的开路与短路开路I=0US+_RL+_U=USI=∞US+_RL短路+_U=0理想电压源不允许短路！理想电压源中的电流由外电路决定设:

Us=10VIUs+_abUab2

R1当R1

R2

同时接入时：I=10AR22

当R1接入时：I=5A则：想想练练理想电压源的串联与并联串联US=

USk

电压值相同的电压源才能并联，且每个电源的电流不确定。US2+_－+US1注意参考方向US=

US1－U

S25V+_+_5VI5V+_I+_USºº并联试求图示电路的等效电路图示电路中的I=_____。2.电流源理想电流源的定义理想电流源的特点能独立向外电路提供恒定电流的二端元件。恒流不恒压。IS恒定，U由电源和外电路共同决定。ISIU0理想电流源的伏安特性理想电流源的图符号平行于电压轴的一条直线IS理想电流源的开路与短路开路I=IS+_U=∞短路+_U=0理想电流源输出的电流值恒定，开路时由于理想电流源内阻无穷大，因此其端电压将趋近于无穷大！ISRLISRLI=IS因此，理想电流源不允许开路！理想电流源两端电压由外电路决定IUIsR设:IS=1A

R=10

时，R=1

时，则:想想练练U=1

V。U=10

V。理想电流源的串联与并联

IS1

IS2

IS3

IS并联IS=

ISk注意参考方向IS=

IS1+IS2－IS3

电流相同的理想电流源才能串联，且每个恒流源的端电压均由它本身及外电路共同决定。串联想想练练ISUS

ISUS

IS1

IS2US1US2？US？

IS？

ISIs=Is2-Is1在电路等效的过程中，与理想电压源相并联的电流源不起作用！与理想电流源相串联的电压源不起作用！3.实际电源的两种电路模型伏安特性（1）实际电压源模型IUUsUIRS+-UsRS越小特性越平ISRs´abUabIIsUabI外特性

Rs´Rs´越大特性越陡（2）实际电流源模型电路的两种特殊状态

开路状态短路状态检验学习结果1.理想电压源和理想电流源各有什么特点？它们与实际电源的主要区别在哪里？2.当电流源内阻很小时，对电路有什么影响？

解用实际电压源模型表征该电压源,可得电路如图所示。例设电流及电压的参考方向如图中所示，根据欧姆定律可得U=RI即

根据

U=US-RSI

可得

某电压源的开路电压为30V，当外接电阻R后，其端电压为25V，此时流经的电流为5A，求R及电压源内阻RS。电路如图所示，试求(1)电阻两端的电压。

(2)1A电流源两端的电压及功率。例

解(1)由于1A电流源为理想电流源，因此流过5Ω电阻的电流就是1A而与2V电压源无关，即

Ｕ１=5×1=5V

(2)1A电流源两端的电压包括5Ω电阻上的电压和2V电压源，因此

U=U1+2=5+2=7V

1A电流源上的电流与电压为非关联方向，故P=-1×7=-7W(供出)电阻元件的特性；电阻元件的伏安关系（重点）；电阻元件的功率；电压源的特性（重点掌握）；电流源的特性小结任务一认识手电筒电路任务二认识电阻、电源任务三剖析手电筒电路规律

情境任务能力目标知识目标能正确列节点电流和回路电压方程；

能用KCL、KVL分析电路；能区分电位与电压的关系会画电子电路的习惯画法

。熟练掌握基尔霍夫电流和电压定律；熟练掌握电位的概念及分析方法。任务三剖析手电筒电路的规律问题的提出1.手电筒电路如图，求各元件的电压、电流。

解：UR=3V（两点间的电压只有一个）I=UR/R=3/10=0.3A

（电阻元件电压、电流关系）

电压源的电流与电阻的电流相等(电流的连续性原理）

分析电路有三个基本依据：电流间的关系；电压间的关系；电压、电流间的关系。总结几个常用的电路名词

•

支路：一个或几个二端元件首尾相接中间无分岔，使各元件上通过的电流相等。（m）

•节点：三条或三条以上支路的汇集点。（n）

•

回路：电路中的任意闭合路径。（l）

•

网孔：不包含其它支路的单一闭合路径。m=3abl=3n=2112332网孔=2+_R1US1+_US2R2R3知识五基尔霍夫定律1.基尔霍夫电流定律（KCL）任一时刻，流入电路中任一节点上电流的代数和恒等于零。数学表达式为：I1I2I3I4a–I1+I2–I3–I4=0

通常规定以指向节点的电流取正，流出节点的电流取负。在此规定下，根据KCL可对节点a列出KCL方程：∑i=0

（任意波形的电流）∑I

=0

（恒定不变的电流）KCL定律依据“电流的连续性原理”，其内容：KCL的有关举例与讨论

•

举例1i1i4i2i3•整理为i1+i3=i2+i4可列出KCL：i1–i2+i3–i4=0根据∑i（t）=0可得KCL的另一种形式：∑i入=∑i出电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。I1+I2=I3I=0I=?I1I2I3U2U3U1+_RR1R+_+_RKCL的推广应用

KCL应用举例

jA

=jB?ABi2i1i1

=i2jA=jB+_1Ω+_1Ω1Ω3V1Ω1Ω1Ω2Vi1

=i2?右封闭曲面可视为广义节点？

•

举例2在图示电路中，已知R1=2Ω，R2=5Ω，US=10V。求各支路电流。解:

首先设定各支路电流的参考方向如图中所示，由于Uab=US=10V，根据欧姆定律，有

对节点a列KCL方程，有

-I1+I2+I3=0I3=I1-I2=5-(-2)=7A例电路中，电压源放出的功率为_____W。

？2.基尔霍夫电压定律（KVL）

任一瞬间，沿任一回路参考绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。数学表达式为：ΣU=0回路电压定律依据“电位的单值性原理”，其内容：I1+US1R1I4US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4先标绕行方向根据：

U=0得：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0？例如：回路a-d-c-a这个图如何列写KVL方程I3U4U3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-先选定回路的绕行方向，当电压的参考方向与绕行方向一致时取“＋”，否则取“－”。KVL定律的推广应用

或写作对假想回路列KVL：USIUR+_+_US

IR

U

=0U

=US

IRKVL定律的推广应用

ABCUA+_UAB+_UB+_UA

UB

UAB=0UAB=

UA

UB

对假想回路列KVL：或写作KVL定律应用举例

#1#2#3I1I2I3R3US1+_US2_+R1R2根据ΣU=0对回路#1列KVL方程电阻压降电源压升即电阻压降等于电压源升#1方程式也可用常用形式对回路#2列KVL常用形式KVL定律应用举例

#1#2#3I1I2I3R3US1+_US2_+R1R2此方程式不独立省略！对回路#3列KVL方程图示电路KVL独立方程为

KVL方程式的常用形式，是把变量和已知量区分放在方程式两边，显然给解题带来一定方便。基尔霍夫定律应用举例？

•

举例：求图中电压U和电流I。UIKCL：-3-1+2-I=0→I=-2AVAR:U1=3I=3×(-2)=-6VKVL：U+U1+3-2=0→U=5V3A3V2V3

U11A2A

解电路如图所示，有关数据已标出，求UR4、I2、I3、R2、R4及US的值。

解设左边网孔绕行方向为顺时针方向，依KVL,有

-US+2I1+10=0

代入数值后,有

US=2×4+10=18V

对于节点a,依KCL,有

I2=I1-I3=4-2=2A

则例对右边网孔设定顺时针方向为绕行方向，依KVL,有则电路中的I=_____，U=_____。

？检验学习结果根据自己的理解说明什么是支路？回路？节点和网孔？某电压或某电流得负值说明什么？基尔霍夫两定律的推广应用如何理解和掌握？列写KCL、KVL方程式前，不在图上标出电压、电流和绕行参考方向行吗？复习提问求：I1、I2、I3

能否很快说出结果？1

++--3V4V1

1

+-5VI1I2I3对于图示电路,I0应为多少?为什么?？电位概念电路中，某点的电位是将单位正电荷由该点沿电路所约束的路径移至参考点电场力所做的功，用大写字母V表示。

1.电位及其参考点知识六电路中各点电位的分析参考点电路