《电工学》第一章.docx

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《电工学》第一章

第一章直流电路

教学内容：

§1-1电路及基本物理量

教学目标：

1、掌握有关电路的基本知识；

2、掌握各物理量的表示符号、物理意义和单位；

教学重点：

掌握电路中几个基本物理量的概念。

教学难点：

电压、电位、电动势之间的区别和联系

教学课时：

2

教学方法：

讲授法

教学过程：

导入新课：

设问：

小时侯同学们玩过用一节干电池、一根导线和一个小电珠使小电珠发光的游戏吗？

这样的电路就是一个最简单的电路。

新课：

一、电路和电路图

电路：

电流的通路，是为了某种需要由某些电工设备和元件按一定方式组合起来的。

电路可以用电路图来表示，图中的设备或元件用国家统一规定的符号表示。

一般电路由电源、负载、开关和连接导线组成。

电路通常有三种状态：

通路电路构成回路，有电流通过；

开路电路断开，电路中无电流通过；

短路电源未经负载而直接由导体构成闭合回路。

这时电源输出电流将比允许的通路电流大很多倍，电源会因短路而损耗大量的能量。

一般不允许短路。

二、电路中几个物理量

1、电流：

定义：

电荷有规则地定向移动。

大小：

I=Q/t

测量（用安培表）：

⑴对交、直流电流应分别使用交流电流表和直流电流表；

⑵电流表必须串接到测量的电路中；

⑶直流电流表表壳接线柱上标明的“+”“－”记号，应和电路的极性相一致，不能接错，否则指针要反转，既影响正常测量，也容易损坏电流表；

⑷合理选择电流表的量程。

2、电流密度：

J=I/S

3、电压

电压又称电位差，是衡量电场力作功本领大小的物理量。

定义：

在电场中电场力将单位正电荷从A点移动到B点所做的功，即：

UAB=WAB/Q

常用电压单位：

1KV=103V

1mV=10－3V

1μV=10－3mV=10－6V

测量（电压表）：

⑴对交、直流电压应分别使用交流电压表和直流电压表；

⑵电压表必须并联到被测电路的两端；

⑶直流电压表表壳接线柱上标明的“+”“－”记号应和被测两点的电位相一致，即“+”端接高电位，“－”接低电位，接错会造成指针反转并损坏电压表；

⑷合理选择电流表的量程。

4、电动势

电动势是衡量电源将非电能转换为电能本领的物理量。

定义：

在电源内部外力将单位正电荷从电源的负极移动到电源正极所做的功，即：

E=W外/Q

方向：

在电源内部由负极指向正极。

电源既有电动势又有端电压。

电动势只存在于电源内部；而端电压则是电源加在外电路两端的电压，其方向由正极指向负极。

一般情况下，电源的端电压总是低于电源内部的的电动势，只有当电源开路时，二者才相等。

5、电位

电位指电路中某点与参考点之间的电压。

通常把参考点的电位规定为零，又称零电位。

电路中任意两点之间的电位差（电压）与这两点电位的关系是：

UAB=UA－UB

电位具有相对性，即电路中某点的电位值随参考点的改变而改变；而电压具有绝对性，即任意两点间的电位差值与电路中参考点的选取无关。

三、电阻和电阻率

电阻：

导体对电流的阻碍作用。

金属导体的电阻大小与其几何尺寸及材料性质有关：

R=ρL/S

小结：

电压、电位与电动势之间的联系：

1、电源既有电动势又有端电压。

电动势只存在于电源内部；而端电压则是电源加在外电路两端的电压，其方向由正极指向负极。

一般情况下，电源的端电压总是低于电源内部的的电动势，只有当电源开路时，二者才相等。

2、UAB=UA－UB

3、电位具有相对性，即电路中某点的电位值随参考点的改变而改变；而电压具有绝对性，即任意两点间的电位差值与电路中参考点的选取无关。

作业：

习题册第一章练习

一、填空1~12

二、判断1~3

三、选择1~8

四、简述1

五、计算1~3

教学内容：

§1-2欧姆定律及应用

教学目标：

掌握欧姆定律和电路的三种状态

教学重点：

1、部分电路欧姆定律

2、全电路欧姆定律

3、电路的三种状态

教学难点：

全电路欧姆定律；电路的三种状态

教学课时：

2

教学方法：

讲授法

教学过程：

导入新课：

复习初中所学的欧姆定律，即部分电路欧姆定律。

新课：

一、部分电路欧姆定律

内容：

在不包含电源的电路中，流过导体的电流与这段导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。

即：

I=U/R

例1-1我国对人体安全电压是这样规定的：

以通过人体电流不引起心室颤动的最大电流30mA为极限，如果人体电阻按1000~1200Ω估算，则安全电压是多少？

解：

当人体电阻按1000Ω计算时，

U=IR=30×10－3×1000=30V

当人体电阻按1200Ω计算时，

U=IR=30×10－3×1200=36V

例1-2已知某100W的白炽灯在电压220V时正常发光，此时通过的电流是0.455A，试求该灯泡工作时的电阻。

解：

R=U/I=220/0.445≈484Ω

二、全电路欧姆定律

内容：

在全电路中电流强度与电源的电动势成正比，与整个电路的内、外电阻之和成反比。

E

I=——

R+r

E＝IR＋Ir＝U外＋U内

例1-3已知电源的电动势为3V，内阻为0.4Ω，外接负载电阻为9.6Ω，求电源端电压和内压降。

解：

I＝E/（R+r）＝3/（9.6+0.4）＝0.3A

内压降Ur＝Ir=0.3×0.4＝0.12V

端电压U＝IR=0.3×9.6＝2.88V

或U＝E－Ir＝3－0.12＝2.88V

三、电路的三种状态

1、通路

E

I＝——

R+r

U外＝E－U内＝E－Ir

2、开路（断路）

I＝0

U内＝Ir＝0

U外＝E－Ir＝E

3、短路

IS＝E/r

U＝E-ISr＝0

例1-4如图所示，不计电压表和电流表内阻对电路的影响，求开关在不同位置时，电压表和电流表的读数各为多少？

解：

SA→1，电路为短路。

电流表读数：

I＝E/r＝2/0.2＝10A

电压表读数：

U＝O

SA→2，电路为开路。

电流表读数：

I＝0

电压表读数：

U＝E

SA→3，电路为于通路。

电流表读数：

I＝E/（R+r）＝2/（9.8+0.2）＝0.2A

电压表读数：

U＝IR＝0.2×9.8＝19.6V

小结：

1、部分电路欧姆定律：

I=U/R

2、全电路欧姆定律：

E

I＝——

R+r

E＝IR＋Ir＝U外＋U内

3、电路的三种状态

电路状态

电流

电压

断路

I=0

U=E

通路

E

I=——

R+r

U=E-Ir

短路

I=IS=E/r

U=0

作业：

教学内容：

§1-3电阻的串联、并联及其应用

教学目标：

在掌握电阻串、并联特点的基础上，熟练应用欧姆定律、分压公式和分流公式，学会分析简单直流电路。

教学课时：

4

第1-2课时：

电阻的串联电路

教学重点：

1、电阻串联电路的特点

2、电阻串联电路的应用

教学难点：

串联电路的特点及应用

教学方法：

讲练结合法

教学过程：

导入新课：

上节课我们已经学习了电阻的概念，同学们在初中时也已经接触过了电阻的串联和并联，在这节里，我们将对这部分内容进行拓宽延展。

新课：

一、电阻的串联电路

1、概念：

两个或两个以上的电阻依次相连，中间无分支的联接方式叫电阻的串联。

2、性质：

串联电路中流过每个电阻的电流都相等。

I=I1=I2=…=In

串联电路两端的总电压等于各电阻两端电压之和。

U=U1+U2+…Un

串联电路的等效电阻（总电阻）等于各串联电阻之和。

R=R1+R2+…+Rn

在串联电路中，电压的分配与电阻成正比。

分压公式：

R1R2

U1=———UU2=———U

R1+R2R1+R2

串联电路总功率等于各电阻消耗功率之和。

P=P1+P2+…+Pn

3、电阻串联的应用

用几个电阻串联以获得较大的电阻。

采用几个电阻串联构成分压器，使用同一电源能供给几种数值不同的电压。

当负载的额定电压低于电源电压时，可用串联电阻的方法将负载接入电源。

限制和调节电路中电流的大小。

扩大电压表的量程。

例1-5如图，要使弧光灯正常工作，必须供给40V的电压和10A的电流，现电源电压为100V，问应串联多大阻值的电阻？

解：

串联后的电阻应承受的电压为

100－40=60V

根据欧姆定律，串联的电阻应为

U260

R=—=—=6Ω

I10

例1-6图中所示的分压器中输入电压Ui＝12V，R1＝350Ω，R2＝550Ω，Rp＝270Ω，试求输出电压Uo的变化范围。

解：

R2550

Uomin＝——————＝——————————＝5.6V

（R1＋R2＋RP）Ui（350＋550＋270）×12

RP＋R2550＋270

Uomax＝——————＝——————————＝8.4V

（R1＋R2＋RP）Ui（350＋550＋270）×12

即分压器的输出电压Uo的变化范围在5.6V～8.4V

例1-7如图1-21是一个万用表表头，它的等效内阻Ra=10kΩ，满刻度电流Ia=50µA，若改装成量程为10V的电压表，则应该串联多大的电阻？

解：

当表头满刻度时，表头两端电压为：

Ua=IaRa=50×10－6×10×103=0.5V

显然，需要串联电阻分压，以扩大量程。

UxU－Ua10－0.5

Rx=—=———=————=190KΩ

IaIa50×10－6

小结：

串联电路的性质：

I=I1=I2=…=In

U=U1+U2+…Un

R=R1+R2+…+Rn

分压公式：

R1R2

U1=———UU2=———U

R1+R2R1+R2

P=P1+P2+…+Pn

作业：

习题册第一章练习

二、判断7

三、选择16

五、计算10

教学内容：

§1-3电阻的串联、并联及其应用

第3-4课时：

电阻的并联及混联电路

教学重点：

1、电阻并联电路的特点

2、电阻并联电路的应用

3、电阻的混联电路

教学难点：

并联电路的特点及应用；混联电路。

教学方法：

讲授法

教学过程：

导入新课：

复习串联电路的特点和性质。

新课：

二、电阻的并联电路

1、概念：

两个或两个以上电阻接在电路中相同的两点之间，承受同一电压的连接方式。

2、性质：

并联电路电压相等，且等于电路两短的电压，即：

U=U1=U2=…=Un

并联电路总电流等于各电阻中的电流之和，即：

I=I1+I2+…+In

并联电路的等效电阻（总电阻）的倒数等于各并联电阻倒数之和，即：

1/R=1/R1+1/R2+…+1/Rn

若两个电阻并联，并联后的总电阻为：

R1R2

R=————

R1＋R2

并联电路中电流的分配与电阻成反比。

分流公式：

R2IR1I

I1=————I2=————

R1＋R2R1＋R2

联电路总功率等于各电阻消耗功率之和，即：

P=P1+P2+…+Pn

3、电阻并联的应用

凡是额定工作电压相同的负载都采用并联的工作方式。

这样每个负载都是一个可独立控制的回路，任一负载的正常启动或关断都不影响其他负载的使用。

获得较小的电阻。

扩大电流表的量程。

例1-8如图所示的并联电路中，求等效电阻RAB、总电流I、各负载电阻上的电压、各负载电阻中的电流。

解：

等效电阻：

R1R26×3

RAB=R1//R2=———=——=2Ω

R1＋R26＋3

总电流：

U12

I=——=—=6A

RAB2

各负载上电压：

U1=U2=U=12V

各负载中电流：

R2I3×6U1

I1=————=——=2A或I1=——=12/6=2A

R1＋R26＋3R1

I2=I－I1=6－2=4A

三、电阻的混联电路

1、概念：

既有电阻串联又有电阻并联的电路叫电阻的混联。

2、电阻混联电路的分析、计算方法和步骤：

分析混联电路时应把电阻的混联电路分解为若干串联和并联关系的电路，然后在电路中各电阻的连接点上标注不同字母，再根据电阻串、并联的关系逐一化简、计算等效电阻，并作出等效电路图。

例1-9已知下图a中R1=R2=R3=R4=R4=1Ω，求A，B间的等效电阻RAB等于多少？

解：

通过分析电路，可画出如上图bcde所示的一系列等效电路。

图中R34=R3+R4=1+1=2Ω

R34R51×22

R345=R34//R5=————=——=—Ω

R34+R51+23

R3456=R345+R2=2/3+1=5/3Ω

R3456R15/3×15

RAB=R3456//R1=————=———=—Ω

R3456+R15/3+18

小结：

1、并联电路的性质：

U=U1=U2=…=Un

I=I1+I2+…+In

1/R=1/R1+1/R2+…+1/Rn

若两个电阻并联，并联后的总电阻为：

R1R2

R=————

R1＋R2

R2IR1I

I1=————I2=————

R1＋R2R1＋R2

P=P1+P2+…+Pn

2、混联电路的计算步骤：

先把电阻的混联电路分解为若干串联和并联关系的电路，然后在电路中各电阻的连接点上标注不同字母，再根据电阻串、并联的关系逐一化简、计算等效电阻，作出等效电路图并计算。

作业：

习题册第一章练习

一、填空22~23

三、选择17~23

五、计算11

教学内容：

§1-4电功与电功率

教学目标：

掌握电功与电功率的概念、负载获得最大功率的条件、焦耳-楞次定律和电气设备的额定值。

教学重点：

1、掌握电功与电功率的概念及公式；

2、掌握焦耳-楞次定律及其应用；]

3、了解并掌握负载的额定值。

教学难点：

电功与电功率；焦耳-楞次定律；负载的额定值。

教学课时：

2

教学方法：

讲授法

教学过程：

导入新课：

设问：

同学们家中都能看得到电度表，每月都要上缴电费，那么电费是怎样计算的呢？

我们通过这一节的学习来弄清楚这个问题。

新课：

一、电功与电功率

1、电功

定义：

我们把电流流过负载时，负载将电能转换成其他形式的能量的过程叫做电流做功，简称电功，用W表示。

数学表达式：

W=UQ

=IUt

=I2Rt

U2

=—t

R

单位：

焦耳（J）。

2、电功率

电流在单位时间内所做的功称为电功率，简称功率，用P表示。

数学表达式：

P=W/t

P=UI=I2R=U2/R

单位：

瓦特（W）。

由上式可知：

1、当电器的电阻一定时，电功率与电流的平方或与电压平方成正比。

2、当流过用电器的电流一定时，电功率与电阻值成正比。

3、当加在电器两端的电压一定时，电功率与电阻成反比。

例1-10某29英寸彩色电视机的功率为183W，平均每天开机2h，若每度电费为0.61元，则一年（以365天计）要交纳多少电费？

解：

耗电W=Pt=183×10－3×2×365=133.59kW·h

电费133.59×0.61=81.49元

3、负载获得最大功率的条件

当负载内阻等于电源内阻，即R=R0时，负载获得最大功率：

E2

Pm=——

4R0

二、焦耳—楞次定律

电流通过导体使导体发热的现象，称为电流的热效应。

焦耳—楞次定律：

电流通过某段导体时所产生的热量与电流的平方、导体的电阻及通电的时间成正比。

数学表达式：

Q=I2Rt

单位：

焦耳（J）

电流的热效应有利有弊。

三、负载的额定值

通常把电器元件和设备安全工作时所允许的最大电流、电压和功率分别叫做额定电流、额定电压和额定功率。

电器元件和设备在额定功率下的工作状态叫做额定工作状态，也称满载；低于额定功率的工作状态轻载；高于额定功率的工作状态叫做过载或超载。

电器在过载情况下容易被烧坏，一般不允许过载。

预防过载的保护器件有熔断器、热继电器等。

小结：

1、电功：

W=UQ=IUt=I2Rt=（U2/R）t

2、电功率：

P=W/t=UI=I2R=U2/R

3、焦耳—楞次定律：

Q=I2Rt

作业：

习题册第一章练习

一、填空26~33

三、选择24~29

五、计算12~15

教学内容：

§1-5基尔霍夫定律

教学目标：

熟练掌握基尔霍夫定律并学会用支路电流法解题。

教学课时：

4

第1-2课时：

基尔霍夫定律

教学重点：

1、基尔霍夫第一定律

2、基尔霍夫第二定律

教学难点：

基尔霍夫第二定律，列KVL方程

教学方法：

讲练结合法

教学过程：

导入新课：

前面所学的是能够运用欧姆定律及电阻串、并联能进行化简和计算的直流电路，我们称之为简单直流电路。

但是在实际工作中，经常会遇到如下图所示的电路，这种不能用电阻串、并联化简的直流电路叫复杂电路。

分析复杂直流电路主要依据电路的两条基本定律——欧姆定律和基尔霍夫定律。

电路有关术语：

支路电路中的每一个分支叫支路。

其中含有电源的支路叫有源支路，不含电源的支路叫无源支路。

同一支路内，流过所有元件的电流相等。

节点三条或三条以上支路所汇成的交点。

回路电路中任一闭合路径都叫回路，一个回路可含一条支路，也可含多条支路。

网孔最简单的、不可再分的回路。

新课：

一、基尔霍夫第一定律（节点电流定律）

内容：

在任一瞬间，流进某一节点的电流之和恒等于流出该节点的电流之和。

即：

∑I进=∑I出

或∑I=0（KCL方程）

即对任一节点来说，流入（或流出）该节点电流的代数和恒等于零。

例1-11在下图中，已知：

I1=2A，I2=－3A，I3=－2A。

试求I4。

解：

由基尔霍夫第一定律可知

I1－I2＋I3－I4=0

代入已知得

2－（－3）＋（－2）－I4=0

解得

I4=3A

二、基尔霍夫第二定律（回路电压定律）

内容：

在任一闭合回路中，各段电路电压降的代数和恒等于零。

即：

∑U=0

如右图，按虚线方向循环一周，根据电压

与电流的参考方向可列出：

Uca＋Uad＋Udb＋Ubc=0

即：

I1R1－I2R2＋E2－E1=0

E1－E2=I1R1－I2R2

由此可得基尔霍夫第二定律的另一种表达形式：

∑E=∑IR（KVL方程）

上式表明：

在任一回路循环方向上，回路中电动势的代数和恒等于电阻上电压降的代数和。

电动势、电压正负号的确定：

（用∑E=∑IR式）

凡电动势的方向与所选回路循环方向一致者取正，反之取负；凡电流的参考方向与回路循环方向一致者，则该电流在电阻上所产生的电压降取正，反之取负。

小结：

1、基尔霍夫第一定律（节点电流定律）

∑I进=∑I出

或∑I=0（KCL方程）

2、基尔霍夫第二定律（回路电压定律）

∑U=0

或∑E=∑IR（KVL方程）

作业：

习题册第一章练习

一、填空34~41

二、判断8、9

三、选择36、32

教学内容：

§1-5基尔霍夫定律

第3-4课时支路电流法

教学重点：

掌握用支路电流法求解支路电流的方法及步骤。

教学难点：

支路电流法的运用

教学方法：

讲练结合

教学过程：

导入新课：

复习基尔霍夫定律：

1、基尔霍夫第一定律（节点电流定律）

∑I进=∑I出

或∑I=0（KCL方程）

2、基尔霍夫第二定律（回路电压定律）

∑U=0

或∑E=∑IR（KVL方程）

二、支路电流法

所谓支路电流法就是以各支路电流为未知数，根据基尔霍夫定律列出方程组，然后解联立方程组，有得各支路电流的方法。

支路电流法解题步骤如下：

1、先标出各支路的电流参考方向和独立回路的循环方向。

2、用基尔霍夫第一、第二定律列出KCL方程式和KVL方程式。

对于一个具有n条支路、m个节点（n﹥m）的复杂直流电流，需要列出（m－1）个独立的KCL方程式和n－（m－1）个KVL方程式。

3、代入已知解联立方程式，求出各支路电流的大小，并确定各支路电流的实际方向。

计算结果为正时，实际方向与参考方向相同；计算结果为负时，实际方向与参考方向相反。

例1-12下图所示为两个电源并联对负载供电的电路。

已知：

E1=18V，E2=9V，R1=R2=1Ω，R3=4Ω。

求各支路电流。

解：

假设各支路电流方向和回路循环方向，如图所示。

对节点A，有I1＋I2＝I3

对回路1，有E1=I1R1＋I3R3

E2=I2R2＋I3R3

代入已知解联立方程式

I1＋I2－I3＝0

I1＋4I3=18

I2＋4I3=9

解得：

I1=6A（实际方向与假设方向相同）

I2=－3A（实际方向与假设方向相反）

I3＝3A（实际方向与假设方向相同）

小结：

支路电流法的解题步骤：

1、先标出各支路的电流参考方向和独立回路的循环方向。

2、用基尔霍夫第一、第二定律列出KCL方程式和KVL方程式。

3、代入已知解联立方程式，求出各支路电流的大小，并确定各支路电流的实际方向。

计算结果为正时，实际方向与参考方向相同；计算结果为负时，实际方向与参考方向相反。

作业：

习题册第一章练习

五、计算17~19

教学内容：

实验一万用表的使用

教学课时：

2

实验目的：

掌握用万用表测量电压、电流和电阻的操作方法。

实验器材：

1、万用表一只；

2、干电池一节；

3、直流（稳压）电源一台；

4、电阻（20Ω）一只；

5、被测电阻（电位器）RP（0~300Kω）一只。

实验内容与步骤：

一、万用表的使用说明

1、万用表在使用前先要机械调零。

按照万用表的使用要求垂直或水平放好万用表（表头上“⊥’’符号表示垂直放置；“－’’符号表示水平放置）。

查看表针是否指在电压刻度的零点上，如果没有，则调节机械调零螺钉，使指针指零。

2、万用表的下方有两个表棒插孔，标有“+”，“－”标志。

使用时，红表棒插入“+”插孔；黑表棒插入“－”插孔。

3、使用指针式仪表测量时，被测量的大小应为指针满刻度值的1／3左右。

4、读取被测量数值时，操作者的视线应与仪表的刻度盘平面及指针垂直。

二、测量

1、直流电源（电池）开路电压的测量

测量原理如图a所示。

将万用表量程转换开关置于“V”（直流电压）挡，注意选用合适的量程。

测量直流电压时，将红表棒接电池的正极（高电位a端）；黑表棒接电池的负极（低电位b端）。

如果两表棒接错，指针将反偏。

记录所测电源开路电压的数值，E=V。

2、负载电压的测量

测量原理如图b所示。

接通稳压电源开关，