青岛职业技术学院授课教案(首页)

_____________ _____________ ___________________________________ 授课教案

__________________________________________________ 编号：_ 第__ 周__ 第_ 次

授课日期及课节		授课地点	授课班级
授课内容	第1章_ 电路的基本概念和基本定律 1.1　电路与电路模型；1.2　电路的基本物理量			课时
教学目的及要求	1、掌握电路与电路模型的概念及电路的基本物理量的特点； 2、理解关联参考方向、功率的性质及判断方法。
教学重点	1、电路的基本物理量；2、关联参考方向、功率的性质及判断方法。
教学难点	1、电位的概念；2、功率的性质及判断方法。
教学方法	课堂讲授及课堂练习
教学过程设计： 1.1　电路与电路模型一、_ 电路 1、电路的概念：电路就是电流所通过的路径。 2、电路的组成：一个完整的电路是由电源、负载和中间环节（包括开关和导线等）三部分组成，称为组成电路的“三要素”。例如，常用的手电筒的实际电路就是一个最简单的电路，如图1.1（a）所示。它由电源（干电池）、负载（小灯泡）、导线及开关构成。当开关闭合时，电流通过灯泡使其发光，将电能转换为光能和热能。 1）电源是电路中提供电能或产生信号的设备，它的作用是将机械能、化学能、光能、水能等其它形式的能量转换为电能，如发电机、干电池、蓄电池、信号发生器等； 2）负载是电路中吸收电能或接收信号的设备，它的作用是将电源供给的电能转换成光能、热能、机械能等其它形式的能量，如电灯、电动机、各种家用电器等； 3）中间环节是连接电源和负载的部分，其作用是传输和控制电能的，如：导线、开关、熔断器等。 3、电路的分类：实际应用中的电路，种类繁多，不同电路其作用也是各不相同的。根据电路的功能可分为电力电路：是对电能进行传输、转换和分配，例如一般的照明电路和动力电路都属于电力电路；信号电路：是对信号进行处理和传递，如收音机、电视机、计算机网络、通信等电路都属于信号电路。

（a）实际电路图 ___________ 　　_ 　_ （b）电路模型

　　　　　_ 　图1.1　手电筒的实际电路和电路模型

UＳ

R

开关

灯泡

干

电

池

图1.1　手电筒的实际电路和电路模型

二、电路模型

实际电路种类很多，用途各异，组成电路的元器件也多种多样。在工作过程中，所表现出的电磁性能和能量转换过程往往较复杂，给电路分析（即在已知电路的结构及参数的情况下，求解各部分电压和电流及功率）带来很大困难。例如白炽灯，不仅具有消耗电能的性质，即具有电阻性，而且当电流流过时，还会产生磁场，说明它还具有电感性质。这样很难用一个数学表达式，表达其端钮的电压与电流关系。但由于其电感甚小，可忽略不计，则其主要性质为电阻性，这样就将白炽灯作为电阻元件。所以为了简化分析，

（a）电阻元件_____________ （b）电感元件（c）电容元件　　（d）电压源　（e）电流源

图1.2　理想元件的图形符号

R

+____ -

1、理想元件：只考虑电路元件的主要性质忽略其次要性质，这样经过简化的元件称为理想元件或元件模型。理想的电路元件主要有：电阻元件、电容元件、电感元件及电压源和电流源等。理想元件都用规定的图形符号来表示，如图1.2所示。

2、电路模型：用理想电路元件代替实际电路元件而构成的电路称为电路模型。这样，图1.1（a）所示的手电筒的实际电路图就可以用图1.1（b）所示的电路模型来表示。即用理想电压源Us和电源内阻Ri串联表示电源（干电池），电阻RL表示负载（小灯泡），S表示电路的开关。

今后本书所给的电路一般都是由理想元件构成的电路模型。

1.2　电路的基本物理量

电路中的基本物理量有电流、电压、电动势、电功率与电能等。深刻理解这些物理量的含义对分析电路是很重要的。下面我们分别介绍。

一、电流及其参考方向

1、电流定义：电荷的定向运动形成电流。电流的大小用电流强度（简称电流）表示，即单位时间内通过导体横截面的电荷量。其表达式为：

________________ _____________________________ （1-1）

式中dq表示时间dt内通过导体横截面的电荷量，单位为库仑（C）；dt表示时间，单位为秒（s）；

2、单位：为安培（A），常用的单位还有毫安（mA）、微安(μA)等。它们之间的换算关系为

___________________________ 1A=103 mA =106μA

3、分类：

1）直流电流（DC）：当电流大小和方向不随时间变化时，即dq/dt为常数，这种电流称为直流电流（DC），用大写字母I表示，即

______________________________ （1-2）

式中q为时间t内通过导体横截面的电荷量。

2）交流电流（AC）大小和方向随时间变化的电流称交流电流（AC），用小写字母i表示。

4、方向：电流的实际方向规定为正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向。常用箭头表示。

1）参考方向的概念：对于简单的电路，可以容易地判断出电流的实际方向，但是在分析复杂电路时，难以事先判定出电流的实际方向。为此，我们引入一个十分重要的概念—参考方向的概念。所谓参考方向就是假定的电流的正方向。电流的参考方向可以任以假定，并在图上用箭头表示出来。根据电流的正负和假定的参考方向可以确定电流的实际方向，如图1.3所示。

2）电流实际方向的判定方法如下：

（1）若电流为正值（I>0），则实际方向与参考方向相同，如图1.3（a）所示；

（2）若电流为负值（I<0），则实际方向与参考方向相反，如图1.3（b）所示。

注意：不设定参考方向时，电流的正负号是没有意义的。

I>0

参考方向

I<0

参考方向

实际方向

(a) 　　　　　　　　　　(b)

　　　　图1.3　电流的参考方向与实际方向

例1.1 电路图1.4中的方框表示电路元件，试分别指出图1.4（a）、1.4（b）、1.4（c）中的电流的实际方向。

_____________ _____________ _______________________

___ ___________ ____ ___________________ __ ________________

(a) __________ _______________ (b)_____________ _ _______ (c)

__ ___________________________________ 图1.4_ 例1.1图___

图1.4_ 例1.1图

I=5A

I= -5A_

解_ 因为图中标出的电流方向为参考方向。所以，图1.4中电流的实际方向分别为：

（a）由a→b，因为电流为正，所以电流的实际方向与参考方向一致。

（b）由b→a，因为电流为负，所以电流的实际方向与参考方向相反。

（c）不能确定，因为没有给出电流的参考方向。

例1.2　分别画出图1.5（a）和1.5（b）所示元件的电流的参考方向。已知图1.5（a）中电流的实际方向为a→b；图1.5（b）中电流的实际方向为a→b。

I=2A

I= -2A

（a）________ _______ __ （b）

图1.5　例1.2图

_____________ _____________ _____________

___________ _______________ __ ____________________________________________

___________________

解_ 图1.5（a）中电流的参考方向a→b，因为电流为正，所以电流的实际方向与参考方向一致。图1.5（b）中电流的参考方向b→a，因为电流为负，所以电流的实际方向与参考方向相反。

二、电压及其参考极性

1、定义：电场力把单位正电荷由a点移动到b点所做的功，叫a、b两点间的电压uab ，其定义式为____

___________________ _ _____________________________ （1-3）

式中dw是电场力将正电荷从a点移到b点所做的功，单位是焦耳（J）；dq为被移动的正电荷量，单位是库仑（C）；

2、单位：电压的单位是伏特（V），常用的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）等。

大写字母U用来表示不随时间变化的电压，即直流电压；小写字母u用来表示随时间变化的电压，即交流电压。

3、电位：电压也可以用电位来表示，电路中某点的电位就是该点到参考点之间的电压。规定参考点的电位为零，电位用大写字母V表示。一旦选定了参考点，电路中各点都将有确定的电位值。比如，若选c点为参考点，则任一点a的电位可表示为：Va=Uac。因此，电位实质上就是电压，是相对参考点的电压。

如果已知任意两点a、b的电位分别为Va、Vb，则a、b两点间的电压可表示为：

__________________________ （1-4）

由上式可见：任意两点间的电压等于这两点的电位之差，故电压又称电位差。

4、方向：电压的实际方向规定为电压降的方向，即由高电位端指向低电位端。表示方法可用箭头，箭头由高电位端指向低电位端，如图1.6（a）所示；也可用极性符号表示，“+”表示高电位，“-”表示低电位，如图1.6（b）所示；此外，也可用下标的顺序来表示，如Uab表示电压的方向是a到b。

–

U

（a）________ 　____________ _____ （b）

图1.6　电压的表示方法

和电流一样，各元件电压的实际方向也是难以事先判断出来的，因此，对电压也要指定参考方向。根据电压的正负和假定的参考方向可以确定电压的实际方向。

电压实际方向的确定：

（1）若电压为正值（U>0），则实际方向与参考方向相同；

（2）若电压为负值（U<0），则实际方向与参考方向相反。

例1.3　图1.7中的方框表示电路元件，试分别指出图1.7（a）、（b）、（c）中电压的实际极性。

–

U=3V_________________ 　　　 U=–3V _______________ 　　 U=2V

（a）________________ 　__ （b）_________________ 　　（c）

图1.7　例1.3图

_ _____________ _____________________ ____ ____ __ __________

________________ _____________________

_____________________________________________

____ _

解_ 根据图中标出的参考极性和各电压的正负，可以确定出各电压的实际极性。

图1.7（a）电压的实际极性a为（+），b为（-），因为电压为正，故电压的实际极性与参考极性一致。

图1.7（b）电压的实际极性a为（-），b为（+），因为电压为负，故电压的实际极性与参考极性相反。

图1.7（c）不确定，因为没有给出电压的参考极性。

例1.4　分别标出图1.8中（a）、（b）所示元件a、b两端电压的参考极性。已知图1.7（a）、（b）中电压的实际极性b端为高电位端。

U=2V_ __________________ 　　U=–2V

（a）____________________ 　　（b）

图1.8_ 例1.4图

_ _________________ ________ _ _____________________________

______________________ _____________

________________________ _ _________________

_______________________

解_ 图1.7（a）电压的参考极性b为高电位，因为电压为正，故电压的实际极性与参考极性一致。

图1.7（b）电压的参考极性a为高电位，因为电压为负，故电压的实际极性与参考极性相反。

三、电压与电流的关联参考方向

进行电路分析时，对于一个元件，我们既要为通过元件的电流选取参考方向，又要为元件两端的电压选取参考方向，两者是相互独立的，可任意选取。__

1、关联参考方向：若选取的电流的参考方向与电压的参考方向一致，则称电流与电压为关联参考方向，也就是电流从电压的“+”号端流向“-”号端，如图1.9（a）所示；

（a）_______________ 　　___ （b）

图1.9_ 关联和非关联参考方向

I____________________ 　　　_ I

_ b–

U ____________ 　　__________ U

2、非关联参考方向：若电流与电压的参考方向相反，则称电流与电压为非关联参考方向，如图1.9（b）所示。

______________ __________ _____________

_______________________________________ _ ________________

____________________ _____________ ______________

_____________________________________________

_________________

注：在采用关联参考方向时，电路图上可以只标出电压和电流中任意一个的参考方向即可，另一个可忽略不标，如图1.10（a）、（b）所示。

a________________ b

（a）______ _____________ ___ （b）

_____ 图1.10　关联参考方向的另一种表示方法

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_______ ____________ ______________________

四、电动势

1、定义：电动势是描述电源力做功大小的一个物理量，电源力在电源内部把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功称为电源电动势，用字母E表示。其表达式为：

___________________________ (1-5)

式中，W表示电源力所做的功，单位是焦耳（J）；q表示电荷量, 单位是库仑（C）；

2、单位：电动势与电压的单位相同，也是伏（V）。

对于不同种类的电源有着不同的电源力。例如在发电机中，导体在磁场中运动，磁场能转换为电源力；在电池中，化学能转换成电源力，每个电源的电动势是由电源本身决定的，跟外电路的情况没有关系。

_ 3、方向：电动势的实际方向是电源力克服电场力移动正电荷的方向，是从低电位到高电位的方向，即由负极指向正极。

五、　电功率与电能

1．电功率

1）定义：电功率是电路元件在单位时间内吸收或释放的电能，或者说电能对时间的变化率(即电能对时间的导数)，简称功率。电功率的表达式为：

（1-6）

________________

式中w是电能，单位是焦耳（J）；t是时间，单位是秒（s）； u是电压，单位用伏特（V）；i是电流，单位是安培（A）； p是功率，用小写字母ｐ表示随时间变化的功率，

2）单位：是瓦特（W），常用的单位还有千瓦(kＷ)，毫瓦(mW)等。

在直流电路中，功率用大写字母P表示，功率计算公式为：

________________ ______________________ （1-7）

3）功率的性质：在电路分析中，我们不仅要计算电路元件功率的大小，有时还要判断功率的性质，即该元件是产生功率还是吸收功率（消耗功率）。产生功率的元件属于电源性质；而吸收功率（消耗功率）的元件属于负载性质。下面介绍功率性质的判别方法：

（１）首先由电压U和电流I的参考方向确定功率计算公式（1-7）中的符号：

　　①当电压U和电流I为关联参考方向时，功率的计算公式取正号，即按下式计算：

P=UI（或p=ui）______________________ （1-8）

　　②当电压U和电流I为非关联参考方向时，功率的计算公式取负号，即按下式计算：

P=－UI（或p=－ui）__________________ （1-9）

　（２）再将已知的U（u）和电流I（i）的数值及符号代入上面相应的公式中得到计算结果。

　（３）判断功率的性质：

　　①若计算结果P＞０，表明该元件为吸收（或消耗）功率，属于负载性质；

②若计算结果P＜０，表明该元件为产生功率，属于电源性质。

2．电能

1）定义：除了功率之外，有时还要计算一段时间内（t1至t2）电路元件所消耗（或产生）的电能。电能的计算公式为：

_____________________ （1-10）

在直流电路中，电能的计算公式为：

_______________ ______________ （1-11）

2）单位：式中t为通电时间，在国际单位制中，电能的单位是焦耳（J）；在实际应用中常以千瓦时（kW·h）作为电能单位，千瓦时俗称度。1度=1千瓦×1小时=1千瓦时（kW·h），即1度电等于功率为1 kW的用电设备在1小时内所消耗的电能。换算关系如下：

1度=1 kW·h =3.6×106J

　例1.5　计算图1.11各元件的功率，并指出是吸收功率还是产生功率？

__________ _____________ _____________ _____________ _____________

__ _____________ _____________ _____________ _____________ _____________ _____________

I=2A

I= -2A

U=5V

U= -5V

U=-5V

（a）____ _ _ （b）_______ __ （c）_______ _ _ （d）___ __ __ （e）

图1.11　例1.5图

_ _____________ _____________ _____________ _____________

_____________ _____________ _____________ _____________ _____________ _____________

解_ 根据功率性质的判别方法，各元件的性质如下：

（a）关联参考方向，___ W>0________ （吸收）

（b）非关联参考方向，_ W>0___ （吸收）

（c）非关联参考方向，_ W<0__ （产生）

（d）关联参考方向，　 W<0_ __ （产生）

(e)__ 关联参考方向，　 W<0____ （产生）

布置作业

1.1,1.3,1.4，1.5，1.6，

本次课小结：

本次课主要介绍了电路的概念及电路的基本物理量；重点理解关联参考方向、功率的性质及判断方法。

任课教师：刘克旺_________________________ 教研室主任：

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