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课题 二极管及其应用（三）——认识稳压电路
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）熟悉三端集成稳压器的基本知识 （2）能够正确测试集成直流稳压电源 素质目标： （1）树立新时代社会主义青年的历史使命感和社会责任感 （2）坚定实现中华民族伟大复兴的中国梦的理想信念
教学重难点 教学重点：熟悉三端集成稳压器的基本知识 教学难点：正确测试集成直流稳压电源
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程 主要教学内容及步骤
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——测试集成直流稳压电源”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学了解稳压电路的相关知识 【学生】完成课前任务
考勤 【学生】班干部报请假人员及原因
任务导入 【教师】提出以下问题： 稳压电路的作用是什么？其工作原理是什么？ 【学生】思考、举手回答
传授新知 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍稳压管稳压电路、三端集成稳压器等内容 4.3.1 稳压管稳压电路 【教师】通过多媒体展示“稳压管稳压电路”图片（详见教材），并进行讲解 稳压管稳压电路是最简单的直流稳压电路，它由稳压管和限流电阻R组成。稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，它在正常工作时处于反向击穿状态，但其反向击穿后的伏安特性曲线很陡，几乎平行于纵轴。基于这一特性，当电流在很大范围内变化时，稳压二极管两端的电压也能保持稳定，从而在电路中起到稳压的作用。 【教师】组织学生观看“稳压管稳压电路及稳压管的伏安特性曲线”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 1．工作原理 在稳压管稳压电路中，当负载电阻不变、输入电压增大时，将随之增大，即增大。此时，由稳压管的伏安特性曲线可知，通过稳压管的电流会显著增大，结果使通过限流电阻R的电流增大，并使限流电阻R上的电压降增大，从而抵消了的增大，使负载电压的数值保持基本不变。 上述稳压过程可表示为 ↑→↑(↑)→↑→↑→↑→↓ 同理，如果输入电压减小，限流电阻R上的电压降减小，其工作过程与上述过程相反，输出电压仍将保持基本不变。 当输入电压不变、负载电阻增大时，即负载电流减小时，稳压过程可表示为 ↑→↓→↓→↓→↑(↑)→↑→↑→↑→↓ 同理，如果负载电阻减小，则稳压过程相反。 由上述可知，稳压管稳压电路利用稳压管对电流进行调节，通过限流电阻R上电压的变化对输出电压进行补偿，从而达到稳压的目的。 2．元件的选择 （1）稳压管一般按下式选取。 （4-13） （2）限流电阻的大小受其他参数（如输入电压、负载电流、最大稳定电流、最小稳定电流等）因素的影响，一般按下式选取。 （4-14） 稳压管稳压电路结构简单，当负载电流变动小时稳压效果好，但由于受稳压管自身参数的限制，不能任意调节输出电压，因此只适用于输出电压不需要调节、负载电流小且稳压要求不高的场合。 4.3.2 三端集成稳压器 【教师】组织学生观看“三端固定式集成稳压器的应用”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 集成稳压器因体积小、可靠性高、价格低廉等优点而得到了广泛的应用。集成稳压器的种类繁多，其中应用较为广泛的是三端式集成稳压器，它因有3个引脚而得名。 根据性能的不同，三端集成稳压器可分为三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器两种。前者的输出电压为固定值，不能调节；后者可通过外接电路对其输出电压进行连续调节。 下面以CW7800（固定输出正压）系列、CW7900（固定输出负压）系列和CW317（可调输出正压）系列、CW337（可调输出负压）系列为例，分别介绍三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器的相关知识。 1．三端固定式集成稳压器 1）外形和图形符号 【教师】通过多媒体展示“CW7800系列和CW7900系列三端固定式集成稳压器的外形和图形符号”图片（详见教材），并进行讲解 CW7800系列和CW7900系列三端固定式集成稳压器的外形和图形符号它们均有输入端、输出端和公共地端3个引脚。 2）型号的组成及含义 【教师】通过多媒体展示“三端固定式集成稳压器型号的组成及含义”图片（详见教材），并进行讲解 三端固定式集成稳压器型号的组成及含义 CW7800和CW7900系列三端固定式集成稳压器的输出电压主要有5 V、6 V、9 V、12 V、15 V、18 V、24 V等，最大输出电流主要有0.1 A、0.5 A、1 A、1.5 A等。CW7815型三端固定式集成稳压器的主要参数如表4-12所示。 表4-12 CW7815型三端固定式集成稳压器的主要参数 输出电压最大输入电压最小输入输出压差最大输出电流输出电阻电压变化率15 V35 V2～3 V1.5 A0.03～0.15 Ω0.1%～0.2%
2．三端可调式集成稳压器 1）外形和图形符号 【教师】通过多媒体展示“CW317系列和CW337系列三端可调式集成稳压器的外形和图形符号”图片（详见教材），并进行讲解 CW317系列和CW337系列三端可调式集成稳压器的外形和图形符号有输入端、输出端和调整端3个引脚。 2）型号的组成及含义 【教师】通过多媒体展示“三端可调式集成稳压器型号的组成及含义”图片（详见教材），并进行讲解 【学生】聆听、思考、理解、记录
课堂实践 【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 1）连接电路 在万能实验板上连接电路。 2）通电检查 观察电路有无烧焦、放电火花等异常现象。如有异常应立即切断电源，查明原因、排除故障后再接通电源。若电路正常，则用数字万用表的交流电压检测挡测量电源变压器T的电压。其中，一次电压应为220 V左右，二次电压应为18 V左右。用直流电压检测挡测量整流滤波后的直流输出电压应为22 V左右。 3）测试输出电压 调节电阻，则应在1.25 V和22 V之间连续可调。若的调节范围达不到要求，则应重新调整和的阻值。 4）测试输出电流 调节电阻，使，改变负载电阻的大小，使输出电流分别为100 mA和1.5 A，此时CW317型三端集成稳压器、电源变压器等应无异常现象发生。 ……（详见教材） 【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——测试集成直流稳压电源” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表
探索活动 【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 在连接电路时，四个整流二极管和滤波电容的极性不能接反，否则可能会烧毁CW317型三端集成稳压器，甚至烧毁电源变压器。任何生产活动都要以安全为前提，请查阅资料，搜集、整理安全生产相关法律法规和企业安全生产制度。 【学生】查阅、分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结
课堂小结 【教师】简要总结本节课的要点 稳压管稳压电路的工作原理和元件的选择 三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器 测试集成直流稳压电源 【学生】总结回顾知识点
作业布置 【教师】布置课后作业 请根据课堂知识，正确连接集成直流稳压电源测试电路进行测试。 【学生】完成课后任务
教学反思课题 二极管及其应用（二）——认识整流滤波电路
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握整流电路、滤波电路、稳压管稳压电路的结构和工作原理 （2）能够正确调试整流滤波电路 素质目标： （1）树立新时代社会主义青年的历史使命感和社会责任感 （2）坚定实现中华民族伟大复兴的中国梦的理想信念
教学重难点 教学重点：掌握整流电路、滤波电路、稳压管稳压电路的结构和工作原理 教学难点：正确调试整流滤波电路
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程 主要教学内容及步骤
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——调试整流滤波电路”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学了解整流滤波电路的相关知识 【学生】完成课前任务
考勤 【学生】班干部报请假人员及原因
任务导入 【教师】提出以下问题： 整流滤波电路有什么作用？其工作原理是什么？ 【学生】思考、举手回答
传授新知 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍整流电路和滤波电路的相关内容 4.2.1 整流电路 整流电路是指将交流电变换为直流电的电路，它利用二极管的单向导电性，使交流电周期性地导通和截止，从而使负载得到单方向脉动的直流电。 根据交流电源相数的不同，整流电路可分为单相整流电路和三相整流电路两种，其中最为常用的是功率较小的单相整流电路。根据整流电压波形的不同，单相整流电路可分为单相半波整流电路和单相全波整流电路两种，下面分别进行介绍。 1．单相半波整流电路 1）工作原理 【教师】通过多媒体展示“单相半波整流电路”图片（详见教材），并进行讲解 单相半波整流电路主要由电源变压器T、整流二极管VD和负载组成。其中，电源变压器的一次电压为，二次电压为，这两个电压均为正弦交流电压。 设，当在正半周时，VD正向导通，此时有电流通过负载，若忽略VD的电压降，则两端的电压等于电源变压器的二次电压，即，两者的电压波形相同；当在负半周时，VD反向截止，上无电流通过，输出电压，此时全部加在VD的两端。 单相半波整流电路的电压波形，其中为单方向的脉动电压，且仅获得的正半部分。 2）性能参数 单相半波整流电路的主要性能参数为负载上的直流电压和直流电流。负载上的直流电压是指一个周期内输出电压的平均值，即 （4-1） 负载上的直流电流为 （4-2） 3）整流二极管的选择 整流二极管一般应根据最大整流电流和最大反向工作电压来选择。在单相半波整流电路中，整流二极管的最大整流电流与通过负载的直流电流相等，即 （4-3） 整流二极管截止时所承受的最大反向工作电压与电源变压器二次电压的最大值相等，即 （4-4） 【经验传承】 一般情况下，电网电压允许在其额定值的范围内波动，因此在选择整流二极管时，最大整流电流和最大反向工作电压应留有至少的裕量，以保证整流二极管能够安全工作。 单相半波整流电路虽然结构简单、元件较少，但由于效率较低、输出电压较低且脉动较大，因此只适用于整流电流较小，并且对电压脉动要求不高的场合。 2．单相桥式整流电路 【教师】通过多媒体展示“单相桥式整流电路”图片（详见教材），并进行讲解 单相桥式整流电路是直流稳压电源中最常用的一种单相全波整流电路，它由四个整流二极管组成，其中，四个整流二极管接成了桥式；四个顶点中，两个整流二极管相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载，两个整流二极管不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。 1）工作原理 在单相桥式整流电路中，当在正半周时，A点电位高于B点电位，整流二极管、正向导通，整流二极管、反向截止，电流的路径为A→→→→B。当在负半周时，B点电位高于A点电位，整流二极管、正向导通，整流二极管、反向截止，电流的路径为B→→→→A。 【教师】通过多媒体展示“单相桥式整流电路的输出波形”图片（详见教材），并进行讲解 由于、和、两对整流二极管交替正向导通，因此负载在的整个周期内都有电流通过，而且方向不变。 2）性能参数 与单相半波整流电路一样，单相桥式整流电路的主要性能参数也是负载上的直流电压和直流电流。 负载上的直流电压为 （4-5） 负载上的直流电流为 （4-6） 3）整流二极管的选择 单相桥式整流电路的整流二极管可根据最大整流电流和最大反向工作电压来选择。 在单相桥式整流电路中，两对整流二极管交替导通，它们仅在电压的半个周期内通过电流，因此每个整流二极管的最大整流电流为负载上直流电流的一半，即 （4-7） 每个整流二极管的最大反向工作电压为 （4-8） 与单相半波整流电路相比，单相桥式整流电路的工作效率较高，输出电压较高且脉动较小。 4.2.2 滤波电路 【教师】组织学生观看“滤波电路”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 利用整流电路虽然可以把交流电转换为单一方向的直流电，但该直流电含有较大的脉动成分，不能保证电子设备正常工作。因此，在整流电路中，还需要利用由储能元件组成的滤波电路来过滤直流电中的脉动成分，使输出的电压更加平稳。 常用的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路三种，下面分别进行介绍。 1．电容滤波电路 【教师】通过多媒体展示“单相桥式整流电容滤波电路”图片（详见教材），并进行讲解 电容滤波电路是最常见、最简单的滤波电路，它由滤波电容C与负载并联而成，可利用滤波电容的充放电来过滤输出电压中的脉动成分。单相桥式整流电容滤波电路。 【经验传承】 滤波电容一般采用电解电容，在接线时需要注意该电容的正、负极性。 1）工作原理 在单相桥式整流电容滤波电路中，当在正半周且（电容两端电压）时，、正向导通，给供电的同时对C充电；当充到最大电压（即）时，和都开始减小，按正弦规律减小。当在正半周且时，、因承受反向电压而截止，C对放电，按指数规律减小。 【教师】通过多媒体展示“单相桥式整流电容滤波电路的输出波形”图片（详见教材），并进行讲解 在负半周时的情况与在正半周时的相似，只是当时，、正向导通。经滤波后的脉动显著减小。 2）负载上电压的计算 采用电容滤波时，输出电压的平均值一般用以下公式估算，即 （桥式、全波） （4-9） （半波） （4-10） 3）滤波电容的选择 滤波电容的放电时间常数（）越大，则放电过程越慢，输出电压越高、脉动越小，即滤波效果越好。一般要求 （桥式、全波） （4-11） （半波） （4-12） 式中： T——交流电源电压的周期。 电容滤波电路适用于要求输出电压较高、负载电流较小，并且负载较为稳定的场合。 2．电感滤波电路 电感滤波电路由电感L和负载串联而成，它利用电感对交流电压阻抗大的特点来过滤输出电压中的脉动成分，从而使得到平稳的电压。 【教师】通过多媒体展示“单相桥式整流电感滤波电路”图片（详见教材），并进行讲解 在单相桥式整流电感滤波电路中，当通过电感的电流增大时，电感产生的自感电压与电流的方向相反，电感将阻止电流的增加，并将一部分电能转换为磁场能存储起来；当通过电感的电流减小时，电感产生的自感电压与电流的方向相同，电感释放出存储的磁场能，以补偿电流，从而使得到平稳的电压。电感的工作频率越高、电感越大，滤波效果越好。当忽略电感线圈的电阻时，负载上的直流电压。 经电感滤波后，通过负载的电流和负载上电压的脉动不但会减小，而且在电感产生的自感电压的作用下，整流二极管的冲击电流也会减小，从而延长整流二极管的寿命。电感滤波电路的缺点是体积大，易产生电磁干扰。电感滤波电路一般适用于低电压、大电流的场合。 【学生】聆听、思考、理解、记录
课堂实践 【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 1）调试单相半波整流电容滤波电路 （1）连接电路。 （2）调节低压交流电源，使其输出电压为12 V。 （3）首先，断开开关S，用示波器分别测量和的波形，根据测量结果，在图中绘制输入、输出电压的波形；然后，将数字万用表调至电压检测挡，测量输入电压，测量值为 ；最后，将数字万用表调至直流电压检测挡，测量输出电压，测量值为 。 （4）闭合开关S，观察示波器上输出电压的波形，将数字万用表调至直流电压检测挡，测量此时的输出电压，测量值为 。 （5）改变负载电阻，观察输出电压波形的变化情况。 2）调试单相桥式整流电容滤波电路 （1）连接电路。 （2）调节低压交流电源，使其输出电压为12 V。 （3）首先，断开开关S，用示波器分别测量和的波形，根据测量结果，在图中绘制输入、输出电压的波形；然后，将数字万用表调至交流电压检测挡，测量输入电压，测量值为 ；最后，将数字万用表调至直流电压检测挡，测量输出电压，测量值为 。 （4）闭合开关S，观察示波器上输出电压的波形，将数字万用表调至直流电压检测挡，测量此时的输出电压，测量值为 。 （5）改变负载电阻，观察输出电压波形的变化情况。 ……（详见教材） 【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——测试二极管的伏安特性” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表
探索活动 【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 结合上述调试结果，分析半波整流滤波电路和桥式整流滤波电路的功能特点，探索两种电路在工业生产和日常生活中的应用。 【学生】分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结
课堂小结 【教师】简要总结本节课的要点 单相半波整流电路的工作原理、性能参数和整流二极管的选择 单相桥式整流电路的工作原理、性能参数和整流二极管的选择 电容滤波电路的工作原理、负载上电压的计算和滤波电容的选择 电感滤波电路的工作原理 调试整流滤波电路 【学生】总结回顾知识点
作业布置 【教师】布置课后作业 请根据课堂知识，正确连接并调试整流电容滤波电路。 【学生】完成课后任务
教学反思课题 二极管及其应用（一）——认识二极管
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握本征半导体、杂质半导体和PN结的知识 （2）掌握二极管的结构、伏安特性和主要参数 （3）能够正确测试二极管的伏安特性 素质目标： （1）树立新时代社会主义青年的历史使命感和社会责任感 （2）坚定实现中华民族伟大复兴的中国梦的理想信念
教学重难点 教学重点：本征半导体、杂质半导体和PN结的知识，二极管的结构、伏安特性和主要参数 教学难点：正确测试二极管的伏安特性
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程 主要教学内容及步骤
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——调测试二极管的伏安特性”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学了解二极管的相关知识 【学生】完成课前任务
考勤 【学生】班干部报请假人员及原因
任务导入 【教师】提出以下问题： 什么是二极管？二极管具有哪些作用？ 【学生】思考、举手回答
传授新知 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍半导体和二极管等内容 4.1.1 半导体概述 半导体是导电性介于导体和绝缘体之间的物质。它是制造半导体元器件的主要材料，当其受到外界的光和热，或者在其内部掺入其他微量元素后，其导电性会发生显著的变化。 1．本征半导体 【教师】通过多媒体展示“本征半导体”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 本征半导体是指完全纯净的、具有晶体结构的半导体。在半导体元器件中，用得最多的本征半导体是硅和锗。硅和锗都是四价元素，每一个硅（锗）原子与相邻的四个原子之间通过成对的价电子形成了共价键。当本征半导体在温度升高或受到光照时，这些价电子中的一部分会从外界获得一定能量，从而挣脱共价键的束缚而成为自由电子，同时共价键中将会留下一个空位，这个空位称为空穴。 由于空穴的出现，附近共价键中的价电子很容易在获取能量后去填补空穴，而在原共价键中产生新的空穴，其他的价电子又可能来填补新的空穴，因此共价键中就产生了电荷的移动。受共价键束缚的价电子参与导电的机理与自由电子有所不同，为了区分这两种电子的运动，通常用空穴的运动来代替共价键中价电子的运动，将空穴看成是带正电荷的粒子，它所带的电荷与电子所带的电荷大小相等、极性相反。 在外加电场的作用下，自由电子和空穴都是能够承载定向电流的带电粒子，它们统称为载流子。 【点拨】 在本征半导体中，自由电子和空穴这两种载流子的数量相等。由于载流子的总数量很少，因此本征半导体的导电性不强。 2．杂质半导体 在本征半导体中人为地掺入其他微量元素（称为杂质），可以使其导电性能发生显著的变化，而掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的元素不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两种。 1）P型半导体 P型半导体是在本征半导体（硅或锗）中掺入微量三价元素硼制成的。在P型半导体中，空穴的数量较多，自由电子的数量较少，主要由带正电荷的空穴参与导电。 2）N型半导体 N型半导体是在本征半导体（硅或锗）中掺入微量五价元素磷制成的。在N型半导体中，自由电子的数量较多，空穴的数量较少，主要由带负电荷的自由电子参与导电。 【点拨】 在杂质半导体中，虽然掺入的杂质很少，但是由于杂质原子提供的载流子数量远大于硅（锗）原子的载流子数量，因此杂质半导体的导电性要比本征半导体强得多。 3．PN结 1）PN结的形成 在P型（或N型）半导体的局部再掺入浓度较高的五价元素磷（或三价元素硼），可在相应的区域形成N区（或P区）。由于P区的空穴多于自由电子，N区的自由电子多于空穴，因此在P区和N区的交界面附近将产生多子（即占多数的载流子）的扩散运动和少子（即占少数的载流子）的漂移运动。 【点拨】 扩散是指载流子由浓度高的一侧向浓度低的一侧运动；漂移是指载流子在电场的作用下做定向移动，空穴的漂移方向与内电场的方向相同，自由电子的漂移方向与内电场的方向相反。 【教师】通过多媒体展示“PN结的形成”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 P区的空穴向N区扩散，与N区的自由电子复合；N区的自由电子向P区扩散，与P区的空穴复合。这种扩散运动使N区失掉自由电子产生正离子，P区得到自由电子产生负离子，结果在P区和N区交界面的两侧，形成了由等量正、负离子相互作用的空间电荷区，空间电荷区的内电场由N区指向P区，它对多子的扩散运动起阻碍作用。 空间电荷区的出现有助于内电场中少子的漂移运动。因此，在内电场作用下，N区的空穴向P区漂移，P区的自由电子向N区漂移，最终使空间电荷区变窄，内电场被削弱。 扩散运动与漂移运动是相互联系又相互对立的，当两者的运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度便基本稳定下来了，这种具有稳定宽度的空间电荷区称为PN结。 2）PN结的单向导电性 【教师】通过多媒体展示“PN结的单向导电性”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 当PN结无外加电压时，扩散运动和漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。当PN结有外加电压时，PN结会因外加电压极性的不同而处于两种状态，从而表现出两种截然不同的导电性，即呈现出单向导电性。当外加电压的正极接PN结的P区、负极接PN结的N区时，该外加电压称为正向偏置电压，此时的PN结处于正向偏置状态，简称正偏；当外加电压的正极接PN结的N区、负极接PN结的P区时，该外加电压称为反向偏置电压，此时的PN结处于反向偏置状态，简称反偏。 当PN结处于正偏时，由于外加电压产生的外电场方向与PN结的内电场方向相反，因此多子的扩散运动会得到加强，少子的漂移运动会被削弱，扩散运动与漂移运动的平衡将被打破。在外电场的作用下，多子会中和一部分空间电荷，从而使整个空间电荷区变窄，并形成较大的扩散电流。该扩散电流称为正向电流，其方向由P区指向N区。此时，PN结处于导通状态。 当PN结处于反偏时，由于外加电压产生的外电场方向与PN结产生的内电场方向相同，主要由少子的漂移运动所形成的漂移电流，将超过由多子扩散运动形成的扩散电流。该漂移电流称为反向电流，其方向由N区指向P区。由于常温下少子的数量很少，反向电流非常小，因此在近似分析时通常会忽略反向电流，认为此时的PN结不导通。 综上所述，PN结具有单向导电性，即处于正偏时，PN结的电阻很小，呈导通状态；处于反偏时，PN结的电阻很大，呈截止状态。 4.1.2 二极管 【教师】组织学生观看“二极管”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 1．二极管的结构 【教师】通过多媒体展示“二极管的结构”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 二极管可看作是PN结物化的元件，PN结所具有的特性均可在二极管上反映出来。二极管的结构有点接触型、面接触型和平面型三种。其中，从二极管的P区引出的引脚称为阳极，从N区引出的引脚称为阴极。 点接触型二极管的特点是PN结面积小、结电容小、工作电流小，但其高频性能好，一般用于高频和小功率电路，也可作为数字电路中的开关元件；面接触型二极管的特点是PN结面积大、结电容大、工作电流大，但其工作频率较低，一般用于整流电路；平面型二极管的特点是PN结面积可大可小，PN结面积大的主要用于大功率整流电路，PN结面积小的可作为脉冲电路中的开关元件。 【点拨】 根据材料的不同，二极管可分为硅二极管和锗二极管等；根据用途的不同，二极管可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、光电二极管和变容二极管等。 2．二极管的伏安特性 【教师】通过多媒体展示“二极管的伏安特性曲线”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 二极管的伏安特性曲线。根据外加电压极性的不同，其伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两部分。 1）正向特性 当二极管的正向偏置电压较小时，二极管呈现较大的电阻，正向电流很小，几乎为零。当正向偏置电压达到某一临界值时，二极管呈现很小的电阻，二极管正向导通，此时的正向偏置电压称为阈值电压，用表示。二极管正向导通后，随着正向偏置电压的增大，通过二极管内部的正向电流急剧增大，它与正向偏置电压之间的关系近似为一条呈指数函数变化的曲线。 【经验传承】 二极管阈值电压的大小与其材料和温度等有关。在常温下，硅二极管的阈值电压约为0.5 V，锗二极管的阈值电压约为0.1 V。 2）反向特性 当二极管的反向偏置电压在一定临界值内时，反向电流很小且基本不随反向偏置电压的变化而变化，这个电流称为反向饱和电流，用表示。当反向偏置电压超出这一临界值后，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿，此时的反向偏置电压称为反向击穿电压，用表示。 3）温度对二极管伏安特性的影响 【教师】通过多媒体展示“温度对二极管伏安特性的影响”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 二极管的伏安特性对温度非常敏感。如下图所示，随着温度的升高，二极管正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。在常温附近，温度每升高1 ℃，二极管的正向电压降会减小2～2.5 mV；温度每升高10 ℃，二极管的反向电流会增大约1倍。 3．二极管的主要参数 【教师】组织学生观看“二极管的应用”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 二极管的参数是表征二极管性能及适用范围的重要指标，是选择、使用二极管的主要依据。二极管的主要参数有最大整流电流、最大反向工作电压、反向电流和最高工作频率等。 （1）最大整流电流。最大整流电流是指二极管在长期工作时所允许通过的最大正向电流。在规定的散热条件下，二极管的正向平均电流不能超过此值，否则二极管容易因过热而损坏。 （2）最大反向工作电压。最大反向工作电压是指二极管在工作时所允许的最大反向偏置电压。若反向偏置电压超过此值，则二极管可能会被击穿。通常，取反向击穿电压的一半作为。数值较大的二极管称为高反压二极管。 （3）反向电流。反向电流是指二极管未击穿时的反向电流。越小，二极管的单向导电性越好。受温度的影响很大，它会随着温度的升高而逐渐增大。 （4）最高工作频率。最高工作频率是指加在二极管两端的交流电压所允许的最高频率。在使用二极管时，若加在其两端的交流电压的频率超过此值，则二极管的单向导电性将会降低甚至丧失。主要取决于PN结结电容的大小，结电容越大，越低。 【学生】聆听、思考、理解、记录
课堂实践 【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 1）判断二极管引脚的极性 （1）将数字万用表置于欧姆挡位置并校准。 （2）用数字万用表测量二极管两个引脚之间的电阻，其值为 Ω。 （3）保持二极管不动，调换数字万用表红、黑表笔的测量位置，再次测量二极管两个引脚之间的电阻，其值为 Ω。 （4）根据所测电阻，确定并标记二极管引脚的极性。 二极管的正、反向电阻相差越大越好。测试中若发现二极管的正、反向电阻均为无穷大，则说明二极管内部开路；若正、反向电阻均接近0，则说明二极管内部短路（PN结被击穿）；若正、反向电阻差别很小，则说明二极管已经失去单向导电性，不能使用。 2）用逐点法测试二极管的正向特性 （1）连接电路。 （2）调节直流稳压电源，使其输出电压为5 V。 （3）调节电位器，用数字万用表监测二极管两引脚之间的电压，使其按照表4-3所示的数值变化。每调整到一个电压后，读取电路中毫安表的示数，并将其填入表4-3中。 表4-3 二极管正向特性测试数据 /V00.10.20.30.40.50.60.650.7/mA
3）用逐点法测试二极管的反向特性 （1）将二极管反接。 （2）调节直流稳压电源，使其输出电压为20 V。 （3）调节电位器，用数字万用表监测二极管两引脚之间的电压，使其按照表4-4所示的数值变化。每调整到一个电压后，读取电路中毫安表的示数，并将其填入表4-4中。 表4-4 二极管反向特性测试数据 /V01246815/mA
4）绘制二极管的伏安特性曲线 根据表4-3和表4-4的测试数据，在图中绘制二极管的伏安特性曲线。 ……（详见教材） 【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——测试二极管的伏安特性” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表
探索活动 【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 根据二极管的伏安特性，分析二极管的应用场合，列举二极管的实际应用案例。 【学生】分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结
课堂小结 【教师】简要总结本节课的要点 本征半导体、杂质半导体和PN结 二极管的结构、伏安特性和主要参数 测试二极管的伏安特性 【学生】总结回顾知识点
作业布置 【教师】布置课后作业 请根据课堂知识，正确绘制二极管的伏安特性曲线。 【学生】完成课后任务
教学反思课题 变压器与三相异步电动机（三）——认识三相异步电动机的控制电路
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握常用低压电器的作用和三相异步电动机控制电路的工作原理 （2）能够调试三相异步电动机的控制电路 素质目标： （1）树立科技成才、技能报国的人生理想 （2）树立勇于探索、追求真理的职业精神
教学重难点 教学重点：常用低压电器的作用和三相异步电动机控制电路的工作原理 教学难点：调试三相异步电动机的控制电路
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程 主要教学内容及步骤
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——调试三相异步电动机的正反转控制电路”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学了解三相异步电动机的控制电路的相关知识 【学生】完成课前任务
考勤 【学生】班干部报请假人员及原因
任务导入 【教师】提出以下问题： 三相异步电动机的控制电路有那些类型？其中最常用的是哪种？ 【学生】思考、举手回答
传授新知 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍常用低压电器、单向控制电路、点动控制电路、正反转控制电路等内容 3.3.1 常用低压电器 低压电器是指用于额定交流电压1 000 V及以下或额定直流电压1 500 V及以下的电路，在电能的生产、输送、分配和使用中，起着开关、控制、调节和保护作用的电气设备。 低压电器的品种繁多，结构各异。根据用途的不同，低压电器可分为控制电器、主令电器、保护电器、配电电器和执行电器等；根据动作方式的不同，低压电器可分为自动电器和手动电器两种；根据有无触点，低压电器可分为有触点电器和无触点电器两种。常用的低压电器有熔断器、刀开关、组合开关、低压断路器、按钮、行程开关、交流接触器和继电器等，下面分别进行介绍。 1．熔断器 【教师】通过多媒体展示“熔断器的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，以此来分断电路的一种电器。熔断器作为短路保护器和过电流保护器，广泛应用于低压配电系统、低压控制系统和各种成套电气设备中。 常用的熔断器有插入式熔断器（RC）、螺旋式熔断器（RL）、无填料封闭管式熔断器（RM）、有填料封闭管式熔断器（RT）和快速熔断器（RS）等。 2．刀开关 刀开关是指带有刀形动触点且刀形动触点在闭合位置与底座上的静触点相契合的开关。刀开关是一种结构简单、应用广泛的手动电器，主要用于控制不频繁接通和分断的空载电路及小电流电路，也用于隔离电路的电源。 【教师】通过多媒体展示“普通刀开关的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 刀开关可分为普通刀开关和熔断器式刀开关两种，根据极数的不同，它们均可分为单极、双极和三极等类型。 安装刀开关时，应将其竖直安装在开关板上，使手柄向上动作为合闸、向下动作为分闸，从而避免动触点等运动部件因铰链支座等固定部件松动而掉落，发生误合闸。 3．组合开关 【教师】通过多媒体展示“组合开关的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 组合开关属于转换开关，它一般由一组或三组触点组合而成。在控制电路中，组合开关常作为电源的引入开关，用于控制小容量三相异步电动机的直接启动或停止运行，也可用于控制小容量三相异步电动机的转向及转速。常用的组合开关有HZ5系列、HZ10系列和HZ15系列等。 4．低压断路器 【教师】通过多媒体展示“低压断路器的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 低压断路器又称自动空气开关，它除了具有手动开关的功能，可用于接通和分断正常负荷电路和过载电路之外，还装有多种脱扣器，可自动进行失压保护、欠电压保护、过载保护和短路保护等。低压断路器适合电能分配、三相异步电动机的不频繁启动控制等场合，用来保护电源电路及三相异步电动机。常用的低压断路器有DZ系列和DW系列等。 低压断路器在功能上相当于熔断器式开关与过电流继电器、欠电压继电器、热继电器等的组合，它在分断故障电路后，一般不需要更换零部件即可继续使用，因此得到了广泛应用。 5．按钮 【教师】通过多媒体展示“典型按钮的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 按钮属于典型的主令电器，是一种由人力操作并具有储能复位功能的控制开关。按钮通常用于短时间接通或断开小电流控制电路。按钮的种类很多，下图所示为典型按钮的图形符号。 6．行程开关 行程开关是指用于反映运动机械的行程并发出命令，控制其运动方向或行程大小的开关，它属于位置开关，是一种常用的小电流主令电器。行程开关利用机械运动部件的碰撞使其触点动作，以控制电路的通断，从而控制运动机械的行程。行程开关通常用于运动机械自动停止、反向运动、变速运动和自动往返运动等的控制。 【教师】通过多媒体展示“行程开关的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 根据结构的不同，行程开关可分为直动式行程开关、滚轮式行程开关和微动式行程开关三种。 7．交流接触器 【教师】通过多媒体展示“交流接触器的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 交流接触器是一种用于交流电路的接触器，它能够快速切断电路，可频繁地接通和分断大电流控制电路，而且还具有低电压保护功能。 8．继电器 继电器是一种根据某种物理量的变化，使其自身执行机构动作的电器。常用的继电器有热继电器、时间继电器、速度继电器等，下面分别进行介绍。 1）热继电器 【教师】通过多媒体展示“热继电器的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 热继电器是一种利用通过继电器的电流所产生的热效应进行反时限动作（包括延时）的继电器。它利用电流的热效应来通断电路，以保护设备，使之免受长期过载的危害。热继电器主要用于三相异步电动机的过载保护、缺相保护、三相电流不平衡运行的保护，以及其他电气设备发热状态的控制。 2）时间继电器 时间继电器又称延时继电器，是一种当加入（或去掉）输入的动作信号后，其输出电路需要经过规定的准确时间才产生跳跃式变化的一种继电器，它主要用于实现触点电路的延时接通或断开。时间继电器的类型很多，常用的有电磁式、空气式、电动式、电子式等。不同类型的时间继电器，其延时时间的设定方式和控制精度也不相同。 【教师】通过多媒体展示“通电延时继电器的图形符号”和“断电延时继电器的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 时间继电器的延时方式有通电延时和断电延时两种。 3）速度继电器 【教师】通过多媒体展示“速度继电器的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 速度继电器是一种利用转轴的转速来切换电路的自动电器，它主要用于三相异步电动机的反接制动电路。 【教师】组织学生观看“时间继电器和速度继电器”视频（详见教材），让学生对操作步骤有一个大致地了解 速度继电器与三相异步电动机同轴相连，当三相异步电动机旋转时，速度继电器的转子随之转动，在空间产生切割速度继电器定子绕组的旋转磁场，从而使速度继电器的定子绕组产生感应电流。该感应电流又在旋转磁场的作用下产生电磁转矩，使速度继电器的定子沿转子的转动方向偏转，与定子装在一起的摆杆也随之摆动，从而推动触点动作，使动合触点闭合、动断触点断开。当三相异步电动机的转速降低到一定数值时，该电磁转矩减小，速度继电器的各触点复位。 低压电器属于国民经济发展的基础产品，通过不断的技术引进和技术研发，我国低压电器产业正向着智能化、网络化的方向发展，这为智能电网等行业的发展奠定了坚实基础。 作为工业领域的通用基础产品，市场对低压电器产品的需求相对稳定。从国家政策的要求来看，未来低压电器产品的结构将不断调整优化，智能化、机电一体化低压电器产品的市场会不断扩大。近年来随着开放式现场总线技术的进步及广泛应用，低压配电与控制系统、终端用电系统也正在向智能化、网络化的方向发展。 未来随着智能电网技术、5G技术、新能源技术等新技术的持续推进和广泛应用，低压电器市场的整体规模将保持平稳增长，国内优秀企业将不断缩小与国际巨头的差距，低压电器领域国产品牌将有更大的话语权 3.3.2 单向控制电路 下面以笼型三相异步电动机为例，介绍三相异步电动机的几种基本控制电路。下述三相异步电动机均指笼型三相异步电动机。 【教师】通过多媒体展示“采用交流接触器控制的单向控制电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 采用交流接触器控制的单向控制电路，它是一种在三相异步电动机中被广泛采用的连续运行控制电路。该电路可分为左、右两部分，分别为主电路和控制电路。其中，QF为低压断路器，KM为交流接触器，为停止按钮，为启动按钮，FR为热继电器，和分别为主电路熔断器和控制电路熔断器。 采用交流接触器控制的单向控制电路的工作原理如下。 （1）闭合QF，接通三相交流电源。 （2）按下启动按钮，KM的线圈通电，KM的主触点闭合，三相异步电动机开始转动；同时KM的辅助动合触点闭合，此时被短路，无论接通还是断开，KM的线圈电路都将保持通电，三相异步电动机连续转动。 （3）按下停止按钮，KM的线圈断电，KM的主触点和辅助动合触点均断开，三相异步电动机停止转动。此时无论接通还是断开，三相异步电动机都不工作，直至松开，才恢复启动按钮功能。 此外，采用交流接触器控制的单向控制电路还具有短路保护、过载保护和失压保护等功能。 3.3.3 点动控制电路 为了满足实际需要，有时还需要对三相异步电动机进行点动控制。三相异步电动机的点动控制电路是指三相异步电动机由按钮控制，按下按钮三相异步电动机开始转动、松开按钮三相异步电动机停止转动的控制电路。 【教师】通过多媒体展示“点动控制电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 点动控制电路，它采用的是一种短时间、断续的控制方式，主要用于设备或部件的快速移动和校正，如机床刀架、横梁和立柱的快速移动等。 在三相异步电动机的点动控制电路中，可通过按钮控制交流接触器线圈回路的通断，通过交流接触器主触点接通或断开三相异步电动机电源电路，从而实现三相异步电动机的点动控制。该电路的工作原理如下。 （1）闭合QF，接通三相交流电源。 （2）按下SB并保持，KM的线圈将通电。 （3）KM的主触点闭合，主电路通电，三相异步电动机开始转动。 （4）松开SB，KM的线圈断电。 （5）KM的主触点断开，三相异步电动机停止转动。 经验传承 在三相异步电动机停止转动后，若仍有后续任务需要执行，可暂时使QF保持闭合；若无其他任务需要执行，则应断开QF，以免发生误操作。 3.3.4 正反转控制电路 生产机械的运动部件往往需要实现正反两个方向的运动，如机床工作台的前进与后退、主轴的正转与反转、起重机的上升与下降等，这就要求三相异步电动机能做正反转运动。由三相异步电动机的工作原理可知，改变三相异步电动机三相交流电源中任意两相的相序，即可改变三相异步电动机的转动方向。 1．按钮互锁正反转控制电路 【教师】通过多媒体展示“按钮互锁正反转控制电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 按钮互锁正反转控制电路，该电路要求交流接触器和不能同时通电，否则它们的主触点就会同时闭合，从而造成和两相电源短路。因此，该电路采用了复合按钮和。 为停止按钮，为正向启动按钮，为反向启动按钮，和的动断触点在电路中起互锁作用，两者为互锁触点；所在电路为正向运行控制电路，所在电路为反向运行控制电路，和的辅助动合触点为自锁触点。 当的主触点接通时，三相交流电源按、、的相序接入三相异步电动机，三相异步电动机正向转动；当的主触点接通时，三相交流电源按、、的相序接入三相异步电动机，三相异步电动机反向转动。该电路的工作原理如下。 （1）三相异步电动机正向转动的控制。闭合QF，按下，接在反向转动控制电路中的互锁触点断开，切断三相异步电动机反向转动控制电路；同时，动合触点闭合，的线圈通电，的主触点和自锁触点均闭合，三相异步电动机正向转动。 （2）三相异步电动机反向转动的控制。闭合QF，按下，接在正向转动控制电路中的互锁触点断开，切断三相异步电动机正向转动控制电路；同时，动合触点闭合，的线圈通电，的主触点和自锁触点均闭合，三相异步电动机反向转动。 （3）三相异步电动机停止转动的控制。在三相异步电动机正向或反向转动时，按下，动断触点断开，和的线圈均断电，和的主触点均断开，三相异步电动机停止转动。 按钮互锁正反转控制电路操作简单，但容易发生电源相间短路故障。例如，当发生主触点熔焊或被杂物卡住等故障时，即使的线圈断电，主触点也无法分断，这时若直接按下反向启动按钮，使的线圈通电，的主触点闭合，则必然会造成电源相间短路故障。 【点拨】 互锁是指在相互关联的几个对象中，如果其中一个对象动作了，那么另外几个对象就不能够动作。联锁是指在相互关联的几个对象中，一个对象的动作受到前一个对象的制约。 例如，A、B两个交流接触器，A吸合后B不能吸合，且B吸合后A也不能吸合，这种控制方式称为互锁；A吸合后B不能吸合，而B吸合后A可以吸合，或者B吸合后A不能吸合，而A吸合后B可以吸合，这种控制方式称为联锁。 2．交流接触器互锁正反转控制电路 【教师】通过多媒体展示“交流接触器互锁正反转控制电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 交流接触器互锁正反转控制电路与按钮互锁正反转控制电路相比，该电路用和的辅助动断触点代替了复合按钮的动断触点，用动合按钮代替了复合按钮的动合触点。在和的线圈回路中，与线圈串联的辅助动断触点为互锁触点。闭合QF，按下，的线圈通电，的主触点和自锁触点闭合，的互锁触点断开，三相异步电动机将连续正向转动。此时，若要使三相异步电动机反向转动，则必须先按，使的线圈断电、的各触点复位；待三相异步电动机停转后按下，使的线圈通电、的主触点和自锁触点闭合、的互锁触点断开。 交流接触器互锁正反转控制电路中，若要改变三相异步电动机的转动方向，则必须先按停止按钮，待三相异步电动机停转后再按反向或正向启动按钮，因此这种正反转控制电路不便于操作。 【教师】提出以下问题，随机邀请学生进行回答 交流接触器互锁正反转控制电路是否与按钮互锁正反转控制电路一样，会发生电源相间短路故障呢？ 【学生】聆听、思考、回答 【教师】总结学生的回答 3．按钮与交流接触器双重互锁正反转控制电路 按钮与交流接触器双重互锁正反转控制电路如图所示。 该电路可不按停止按钮而直接按反向或正向启动按钮即可改变三相异步电动机的转动方向，且当交流接触器的主触点发生熔焊故障时，该电路不会发生电源相间短路故障。 按钮与交流接触器双重互锁正反转控制电路的工作原理如下。 （1）三相异步电动机正向转动的控制。闭合QF，按下，接在反向转动控制电路中的互锁触点断开，此时三相异步电动机反向转动控制电路被切断，的线圈断电，的主触点和自锁触点均断开，的互锁触点闭合；同时动合触点闭合，的线圈通电，的互锁触点断开，的主触点和自锁触点均闭合，三相异步电动机正向转动。 （2）三相异步电动机反向转动的控制。闭合QF，按下，接在正向转动控制电路中的互锁触点断开，此时三相异步电动机正向转动控制电路被切断，的线圈断电，的主触点和自锁触点均断开，的互锁触点闭合；同时动合触点闭合，的线圈通电，的互锁触点断开，的主触点和自锁触点均闭合，三相异步电动机反向转动。 （3）三相异步电动机停止转动的控制。在三相异步电动机正向或反向转动时，按下，动断触点断开，此时和的线圈均断电，和的主触点均断开，三相异步电动机停止转动。 【学生】聆听、思考、理解、记录
课堂实践 【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 （1）连接电路，经指导教师检查后，方可进行通电操作。 （2）按下控制屏启动按钮，接通380 V三相交流电源。 （3）按下正向启动按钮，观察电动机的转向及各交流接触器的运行情况；然后按下停止按钮，使电动机停转。 （4）按下反向启动按钮，观察电动机的转向及各交流接触器的运行情况；然后按下停止按钮，使电动机停转。 （5）按下正向（或反向）启动按钮，在电动机启动后再次按下反向（或正向）启动按钮，观察有何情况发生；然后按下停止按钮，使电动机停转。 （6）同时按下正、反向启动按钮，观察有何情况发生。 （7）任务完毕，将调压器调回零位，按下控制屏停止按钮，切断控制线路电源。 ……（详见教材） 【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——调试三相异步电动机的正反转控制电路” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表
探索活动 【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 三相异步电动机控制电路广泛应用于各类机床中，请选择一种机床，查阅资料，分析其各种控制功能及特点。 【学生】查阅、分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结
课堂小结 【教师】简要总结本节课的要点 常用低压电器 单向控制电路 点动控制电路 正反转控制电路 调试三相异步电动机的正反转控制电路 【学生】总结回顾知识点
作业布置 【教师】布置课后作业 请根据课堂知识，正确验证叠加定理。 【学生】完成课后任务
教学反思课题 变压器与三相异步电动机（二）
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握三相异步电动机的基本结构、工作原理和启动方法 （2）能够拆装三相异步电动机 素质目标： （1）树立科技成才、技能报国的人生理想 （2）树立勇于探索、追求真理的职业精神
教学重难点 教学重点：三相异步电动机的基本结构、工作原理和启动方法 教学难点：拆装三相异步电动机
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程 主要教学内容及步骤
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——拆装三相异步电动机”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过了解三相异步电动机的相关知识 【学生】完成课前任务
考勤 【学生】班干部报请假人员及原因
任务导入 【教师】提出以下问题： 什么是三相异步电动机？其主要应用对象是什么？ 【学生】思考、举手回答
传授新知 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍三相异步电动机的基本结构、工作原理、启动方法等内容 【教师】通过多媒体展示“电机的分类”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 电机是变压器、发电机和电动机的总称，是根据电磁感应原理制成的、可实现电能传递与转换的一种电磁装置。其中，把机械能转换成电能的电机称为发电机，而把电能转换成机械能的电机称为电动机。电机的种类较多。 在工业生产中，交流电动机的应用非常广泛，特别是三相异步电动机，它因具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点，而被广泛地用于驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、铸造机械、通风机和水泵等。 3.2.1 三相异步电动机的基本结构 【教师】组织学生观看“三相异步电动机的工作特性（1）”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 三相异步电动机的基本结构，它主要由定子和转子两大部分组成。 【教师】通过多媒体展示“三相异步电动机的基本结构”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 1．定子 定子主要由机座、定子铁芯和定子绕组等组成。 1）机座 机座是由铸铁或铸钢制成的，它是三相异步电动机的外壳，起着支撑三相异步电动机的作用。通常要求机座具有良好的散热性能，因此机座的外表面一般铸有散热片。 2）定子铁芯 定子铁芯是三相异步电动机磁路的一部分。为了减少铁损，定子铁芯一般由互相绝缘的硅钢片叠成，其内表面有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。 3）定子绕组 【教师】通过多媒体展示“定子铁芯与转子铁芯”和“定子绕组的Y联结或△联结”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 定子绕组是三相异步电动机电路的一部分，它由三个完全相同的绕组组成，每个绕组为一相，三个绕组在空间上分别相差120°。三个绕组的始端和末端都被引至接线盒内，可根据需要做Y联结或△联结 2．转子 转子主要由转子铁芯和转子绕组两部分组成。 1）转子铁芯 转子铁芯是三相异步电动机磁路的一部分。它也是由硅钢片叠成的，硅钢片外围有均匀分布的槽，用以嵌放转子绕组。转子铁芯固定在转轴支架上。 2）转子绕组 转子绕组可分为笼型和绕线型两种，据此可将三相异步电动机分为笼型三相异步电动机和绕线型三相异步电动机两种。 【教师】通过多媒体展示“笼型绕组”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 笼型绕组是在转子铁芯的每个槽中插入一根铜条（导条），在铜条两端各用一个铜环（端环）把铜条连接起来，这样的转子称为铜排转子，若把铁芯拿出来，则整个转子绕组的外形很像一个鼠笼。还可以用铸铝的方法，把铜条、铜环及风叶用铝液一次浇铸成形，这样的转子称为铸铝转子。 绕线型绕组与定子绕组相同，也为三相绕组，它一般连接成Y形，3根引出线分别接到转轴的3个相互绝缘的集电环上，通过3个电刷与外电路相连。 经验传承 为了保证转子能够自由旋转，定子与转子之间必须留有一定的气隙。一般情况下，中小型三相异步电动机的气隙为0.2～1.0 mm。 3.2.2 三相异步电动机的工作原理 【教师】通过多媒体展示“三相异步电动机工作原理的模拟试验”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 三相异步电动机的工作原理可通过下面的小试验进行简单模拟。磁极与转子之间没有机械联系。当转动外面的磁极时，转子随着磁极沿同一方向一起转动。磁极转得越快，转子转得也越快。磁极反转，转子也反转。该试验说明，使三相异步电动机工作的关键是有旋转磁场。 1．旋转磁场 1）旋转磁场的产生 【教师】通过多媒体展示“三相异步电动机定子绕组的接法和三相对称电流的波形”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 三相异步电动机的定子铁芯中嵌放有三相对称绕组、和。设三相对称绕组做Y联结，当其接入三相电源后，三相对称绕组中将有三相对称电流通过，如图3-14所示。取三相对称电流的参考方向为从绕组始端指向末端。电流在正半周时，其实际方向与参考方向一致；在负半周时，其实际方向与参考方向相反。因此，三相对称电流分别为 ，， 由于各相绕组中的电流是交变的，这些电流所产生的磁场也是交变的，因此三相对称电流所产生的合磁场是一个旋转磁场。 2）旋转磁场的转向 旋转磁场的转向与三相对称电流的相序一致。当三相对称电流的相序为→→时，旋转磁场按→→方向进行顺时针旋转。若任意调换三相对称电流相序中的两相，如将其变为→→，则旋转磁场将按→→方向进行逆时针旋转。 3）旋转磁场的转速 三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速则取决于磁场的磁极对数。由上述分析可知，当有一对磁极（）时，电流变化一周，旋转磁场在空间旋转一周；当有两对磁极（）时，电流变化一周，旋转磁场在空间旋转1/2周。依此类推，当有对磁极时，电流变化一周，旋转磁场就在空间旋转周，即有对磁极的旋转磁场的转速应为 （3-16） 式中： ——旋转磁场的转速，单位为转/分（）； ——定子绕组中电流的频率，单位为赫（）； ——磁极对数。 旋转磁场的转速又称同步转速。国产三相异步电动机定子绕组额定电流的频率为。于是，根据式（3-16）可知，对应于不同的磁极对数，旋转磁场的转速是不同的常数，如表3-9所示。 表3-9 对应于不同磁极对数时旋转磁场的转速 1234563 0001 5001 000750600500
2．三相异步电动机的转动原理 【教师】组织学生观看“三相异步电动机的工作特性（2）”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 三相异步电动机转子转动的简化原理图，其中、表示两极旋转磁场的磁极，转子中只画出了两根铜条用于示意。设旋转磁场以的转速顺时针旋转，则旋转磁场与静止的转子铜条之间就存在相对运动，相当于转子铜条切割磁力线，铜条中就会产生感应电压和感应电流，其方向可由右手定则确定。 【教师】通过多媒体展示“三相异步电动机转子转动的简化原理图”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 通电的铜条在旋转磁场中将会受到电磁力的作用，电磁力的方向可用左手定则判断。电磁力作用到三相异步电动机的转轴上将会产生电磁转矩，从而带动转子以转速转动，其转动方向与旋转磁场的转向相同。 3．转差率 尽管三相异步电动机转子的转动方向与旋转磁场的转向相同，但转子的转速不能与旋转磁场的转速相等，且必须使。这是因为若两者相等，则转子与旋转磁场之间将没有相对运动，转子中就不会产生感应电压和感应电流，也不会有电磁转矩，转子就不可能继续以转速转动了。因此，转子的转速与旋转磁场的转速之间必须有一定差值，即它们不同步，三相异步电动机就是因此得名的。 为了便于分析计算，人们引入了转差率s这个参数。转差率是旋转磁场的转速和转子的转速的差值与旋转磁场的转速之比，即 （3-17） 转差率是分析三相异步电动机的一个重要参数。在三相异步电动机的启动瞬间，，，此时转差率最大；若转子的转速达到旋转磁场的转速，则。因此，转差率的变化范围为0～1，一般用百分数表示。通常，三相异步电动机在额定负载时的转差率为1%～9%。 式（3-17）也可写为 （3-18） 3.2.3 三相异步电动机的启动方法 三相异步电动机的启动是指其从静止状态过渡到稳定运行状态的过程。在启动瞬间，由于转子的转速为零，因此定子和转子的绕组中都有很大的启动电流，其大小一般为额定电流的4～7倍。过大的启动电流会使电网电压明显减小，同时还会影响接在同一电网上的其他负载的正常运行，严重时会使三相异步电动机本身也无法正常工作。如果是频繁启动，则不但会使三相异步电动机的温度大幅上升，还会对其造成过大的电磁冲击，从而影响三相异步电动机的使用寿命。 在三相异步电动机启动瞬间，尽管启动电流很大，但转子的功率因数很低，因此此时的启动转矩较小。启动转矩过小会使三相异步电动机的启动时间延长，这样既影响生产效率，又会使三相异步电动机的温升过快。如果启动转矩小于机械负载转矩，则三相异步电动机将不能启动。 综上所述，三相异步电动机在启动时既要把启动电流限制在一定数值之内，又要保证具有足够大的启动转矩，以便缩短启动时间，提高生产效率。 下面以笼型三相异步电动机为例，介绍三相异步电动机的启动方法。笼型三相异步电动机常用的启动方法有直接启动和降压启动两种。 1．直接启动 直接启动又称全压启动，是指利用刀开关（又称闸刀开关）或接触器将笼型三相异步电动机直接接到具有额定电压的电源上。这种启动方法操作简单，设备少，成本低，但启动电流大，启动转矩小，因此只适用于小容量（7.5 kV·A以下）笼型三相异步电动机的启动。对较大容量的笼型三相异步电动机，可参考以下经验公式进行核定，即 （3-19） 式中： ——电源的总容量，单位为千伏安（kV·A）； ——笼型三相异步电动机的额定功率，单位为千瓦（kW）。 只有满足式（3-19），笼型三相异步电动机才能直接启动。 2．降压启动 降压启动是指启动时减小加在笼型三相异步电动机定子绕组上的电压，启动过程结束后再将其增大至额定电压的启动方法。降压启动的主要目的是减小启动电流，但同时也限制了启动转矩，因此这种情况只适用于空载或轻载情况下的启动。常用的降压启动有Y-△降压启动和自耦变压器降压启动两种。 1）Y-△降压启动 Y-△降压启动适用于正常运行时定子绕组做△联结的笼型三相异步电动机。在启动时，可先将定子绕组做Y联结，启动结束时再做△联结。这样，启动时定子绕组上的电压就可以减小为额定电压的。 【教师】通过多媒体展示“Y-△降压启动电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 Y-△降压启动电路。设定子每相绕组的阻抗模为，电源额定电压为，当采用△联结直接启动时，其线电流为 当采用Y联结降压启动时，每相绕组的相电压为，其线电流为 由以上两式可知 （3-20） 即Y-△降压启动时的启动电流为直接启动时的1/3。 由于启动转矩与电压的平方成正比，因此Y-△降压启动时的启动转矩也减小到直接启动时的1/3。 Y-△降压启动具有操作方便、启动设备简单、运行可靠等特点。 2）自耦变压器降压启动 自耦变压器降压启动适用于容量较大或正常运行时定子绕组做Y联结的笼型三相异步电动机，它利用自耦变压器将电源电压减小后再加到笼型三相异步电动机的定子绕组上，以减小启动电流。 【教师】通过多媒体展示“自耦变压器降压启动电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 自耦变压器降压启动电路。启动时，将开关扳到“启动”位置，自耦变压器一次侧接电源，二次侧接笼型三相异步电动机定子绕组，以实现降压启动。当转速接近额定转速时，再将开关扳向“运行”位置，从而断开自耦变压器，使笼型三相异步电动机直接接电源运行。 因为自耦变压器的一、二次电压之比等于一、二次绕组的匝数之比，且启动电流与启动电压成正比，所以引入自耦变压器前后启动电流的关系为 （3-21） 式中： ——电源向自耦变压器一次侧提供的降压启动电流，单位为安（A）； ——电源向笼型三相异步电动机提供的直接启动电流，单位为安（A）； K ——自耦变压器的变比。 由式（3-21）可知，引入自耦变压器后的降压启动电流为直接启动电流的1/。由于启动转矩与电源电压的平方成正比，因此引入自耦变压器后的降压启动转矩也为直接启动转矩的1/。 自耦变压器通常备有多组抽头，具有多种变比，可根据所要求的启动转矩来选择（如电源电压的73%、64%、55%）。这种启动方法的设备成本较高，且不宜频繁启动。 【学生】聆听、思考、理解、记录
课堂实践 【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 1）拆卸笼型三相异步电动机 （1）切断电源，拆下笼型三相异步电动机与电源的连接线，并将电源连接线的线头做好绝缘处理。 （2）脱开皮带轮或联轴器与负载的连接，松开地脚螺栓和接地螺栓。 （3）依次拆卸皮带轮或联轴器、罩壳和风扇、轴承盖和端盖。 （4）从定子中抽出转子。 2）装配笼型三相异步电动机 （1）对笼型三相异步电动机转子的轴承洗油，并在轴承上涂抹轴承润滑脂。 （2）依次安装轴承、后端盖、转子、前端盖和轴承盖、风扇和罩壳。 （3）安装皮带轮或联轴器。 ……（详见教材） 【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——拆装三相异步电动机” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表
探索活动 【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 三相异步电动机在工业生产中的应用非常广泛。请查阅有关资料，分析我国三相异步电动机的发展现状。 【学生】查阅、分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结
课堂小结 【教师】简要总结本节课的要点 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机的启动方法 拆装三相异步电动机 【学生】总结回顾知识点
作业布置 【教师】布置课后作业 请根据课堂知识，正确验证叠加定理。 【学生】完成课后任务
教学反思课题 变压器与三相异步电动机（一）——认识变压器
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握磁路的基本物理量和基本定律 （2）掌握变压器的工作原理和外特性 （3）能够对单相变压器的变比及外特性进行测试 素质目标： （1）树立科技成才、技能报国的人生理想 （2）树立勇于探索、追求真理的职业精神
教学重难点 教学重点：磁路的基本物理量和基本定律，变压器的工作原理和外特性 教学难点：对单相变压器的变比及外特性进行测试
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程 主要教学内容及步骤
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——测试单相变压器的变比和外特性”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学了解变压器的相关知识 【学生】完成课前任务
考勤 【学生】班干部报请假人员及原因
任务导入 【教师】提出以下问题： 变压器的作用是什么？其工作原理是怎样的？ 【学生】思考、举手回答
传授新知 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍磁路和变压器的相关内容 3.1.1 磁路 【教师】组织学生观看“磁通与磁路的分类”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致了解 线圈通电后，其周围和内部会产生磁场。空心载流线圈产生的磁场较弱，为了得到较强的磁场并加以有效利用，工程上常用铁磁性材料做成一定形状的铁芯，然后将线圈绕在铁芯上组成铁芯线圈电路。当线圈中通过电流时，铁芯即被磁化，从而使电流产生的磁场大大增强。对于铁芯线圈电路，通电线圈的磁通将集中通过铁芯，这种磁通集中通过的路径便称为磁路。 1．磁路的基本物理量 1）磁感应强度 磁感应强度B是表示磁场中某点磁场的强弱和方向的物理量，它是一个矢量。若磁场中各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则这样的磁场称为均匀磁场。在均匀磁场中，磁感应强度在数值上可看作是与磁场方向相垂直的单位面积内所通过的磁通，因此磁感应强度又称磁通密度，即 （3-1） 在国际单位制中，磁感应强度的单位为特（T）。磁感应强度的方向与电流方向之间的关系可用右手螺旋定则来确定。 2）磁导率 磁导率μ是用于衡量物质导磁能力大小的物理量，其单位为亨每米（H/m）。真空中的磁导率为一个常数，用表示，即。为了便于比较，通常用相对磁导率来表示不同物质的导磁能力，即 （3-2） 3）磁场强度 磁场强度H是分析磁场时所引入的一个辅助物理量，空间中某点的磁场强度与该点磁感应强度的关系为 （3-3） 磁场强度也是矢量，在均匀磁介质中，磁场强度的方向与磁感应强度的方向一致。在国际单位制中，磁场强度的单位为安每米（A/m）。 2．磁路的欧姆定律 实验表明，在铁芯线圈电路中，线圈的电流越大，线圈的匝数越多，产生的磁通就越多。通常把线圈匝数与线圈电流的乘积NI称为磁通势，用F表示，即 （3-4） 磁通势相当于电路中的电动势，它是一个标量，其单位为安（A）。 磁路中的磁通等于作用在该磁路上的磁通势F除以磁路的磁阻，这就是磁路的欧姆定律，即 （3-5） 式中： l ——磁路的平均长度，单位为米（m）； S ——磁路的横截面积，单位为平方米（m2）； ——磁路的磁阻，，单位为每亨（1/H）。 由于铁磁性材料的磁导率不是常数，因此磁路的欧姆定律通常不能用于定量计算，只能用于定性分析。磁路与电路有着许多相似之处，两者的比较如表3-5所示。 【教师】通过多媒体展示“磁路和电路的比较”表格，介绍相关知识 表3-5 磁路和电路的比较 磁路电路磁通势F电压U磁通Φ电流I磁感应强度B电流密度J磁阻电阻磁路欧姆定律电路欧姆定律
【点拨】 在表3-5中，γ为电导率，，单位为西每米（S/m）。其中，ρ为电阻率，它是用于表示各种物质电阻特性的物理量。某种材料的导线，长度为1 m、横截面积为1 mm2时，在常温下（20 ℃）的电阻值称为这种材料的电阻率。 3．电磁感应定律 感应电压的大小与磁通变化的快慢（磁通变化率）有关，即 （3-6） 若线圈的匝数为N，则整个线圈的感应电压为 （3-7） 式中： u ——线圈在时间内产生的感应电压，单位为伏（V）； N ——线圈的匝数； ——在时间内磁通的变化量，单位为韦伯（Wb）； ——磁通的变化时间，单位为秒（s）。 上述感应电压与磁通变化率之间的关系称为电磁感应定律。 【教师】通过多媒体展示“右手定则”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 对于闭合导体在磁场中做切割磁感线运动时所产生的感应电流，其方向可用右手定则判断。如图3-2所示，伸出右手，让大拇指与其余四指垂直，并在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，大拇指指向导体运动方向，那么其余四指所指的方向就是感应电流的方向。 【教师】讲解“砥节砺行”的内容（详见教材），引导学生了解奥斯特发现了电流的磁效应 3.1.2 变压器 1．变压器的分类 根据用途的不同，变压器可分为电力变压器和特殊变压器两大类。其中，电力变压器是一种在电力系统中进行输配电的变压器，常用的有升压变压器、降压变压器、配电变压器等；特殊变压器是针对特殊需要而制造的变压器，如整流变压器、工频试验变压器、矿用变压器、冲击变压器、电焊变压器和电压互感器等。 根据电源相数的不同，变压器可分为单相变压器、三相变压器和多相变压器三种。 2．变压器的基本结构 【教师】组织学生观看“常用的变压器”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 变压器虽然种类繁多且用途各异，但都主要由铁芯和绕组两部分组成。 1）铁芯 铁芯是变压器的磁路部分，它由铁芯柱和铁轭两部分组成。其中，铁芯柱上套有绕组；铁轭上不套绕组，用于连接铁芯柱以使磁路闭合。为了减小磁滞损耗及涡流损耗，铁芯通常由表面涂有绝缘漆、厚度为0.35 mm或0.5 mm的硅钢片叠装而成。 2）绕组 绕组是指用于共同工作的互联的线匝和（或）线圈的组合，它是变压器的电路部分，可由一个或多个线圈串联组成。其中，线圈通常由具有良好绝缘的漆包线、纱包线等绕制而成；线圈的层与层之间和匝与匝之间、线圈与铁芯之间及不同线圈之间都要进行绝缘处理。 变压器工作时，与电源连接的绕组称为一次绕组（或初级绕组、原边绕组），与负载连接的绕组称为二次绕组（或次级绕组、副边绕组）。通常，一、二次绕组的匝数不相等，匝数较多的绕组，其工作电压较大，称为高压绕组；匝数较少的绕组，其工作电压较小，称为低压绕组。为了便于在线圈和铁芯之间进行绝缘处理，通常将低压绕组安装在靠近铁芯的内层，将高压绕组套在低压绕组的外面。 【教师】通过多媒体展示“芯式变压器”和“壳式变压器”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 根据铁芯和绕组组合方式的不同，变压器可分为芯式变压器和壳式变压器两种。其中，芯式变压器将绕组套在铁芯柱上，结构较为简单，其多用于容量较大的变压器；壳式变压器的制造工艺复杂，其绕组被铁芯包围，通常用于容量较小的变压器。 3．变压器的铭牌数据 变压器的额定值是指变压器在规定使用环境和运行条件下的主要技术参数限定值。它通常标在铭牌上，故又称为铭牌数据。变压器的铭牌数据主要有额定电压、额定电流、额定容量和额定频率等，它们是选择和使用变压器的主要依据。 1）额定电压 变压器的额定电压包括额定一次电压和额定二次电压。其中，额定一次电压是指变压器正常工作时一次绕组上指定施加的电压，用表示；额定二次电压是指当给一次绕组加上额定一次电压时二次绕组空载所感应出的指定电压，用表示。例如，6 000 V/400 V表示额定一次电压为6 000 V，额定二次电压为400 V。 由于变压器有内阻抗电压降，因此二次绕组的额定电压一般比满载（负载电压为额定运行条件所规定的最高值）时的电压大5%～10%。 2）额定电流 变压器的额定电流是指当给变压器施加额定一次电压时，通过绕组两端子之间的电流，其值等于绕组额定容量除以绕组额定电压和相应的相系数（单相变压器的相系数为1；三相变压器的相系数为）的乘积，它是根据绝缘材料允许的温度来确定的。额定电流包括额定一次电流和额定二次电流。其中，额定一次电流是指当给变压器施加额定一次电压时，通过一次绕组端子的电流，用表示；额定二次电流是指当给变压器施加额定一次电压时，通过二次绕组端子的电流，用表示。 3）额定容量 额定容量是指二次绕组的额定电压与额定电流的乘积，用表示。它是绕组的视在功率，单位为伏安（）。 单相变压器的额定容量为 （3-8） 4）额定频率 额定频率是指变压器在额定状态下运行时一次绕组外加交流电压的频率。我国规定变压器的额定频率为50 Hz。 4．变压器的工作原理 变压器的工作原理即电磁感应原理。若在变压器的一次绕组中接入交流电，一次绕组的磁通势产生的交变磁通将同时穿过一次绕组和二次绕组，并分别产生感应电压。下面以双绕组的单相变压器为例进行介绍。 【教师】通过多媒体展示“变压器的结构和图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 其中，一次绕组的匝数为，输入电压为，输入电流为，主磁通感应电压为，漏磁通感应电压为；二次绕组的匝数为，输出电压为，输出电流为，主磁通感应电压为，漏磁通感应电压为。 1）电压变换 对于一次绕组，由KVL可知 忽略绕组电压降和漏磁通感应电压，则 因此 （3-9） 对于二次绕组，由KVL可知 若将图3-5（a）中的开关S断开，变压器空载，，则二次绕组的电压为 （3-10） 于是，一、二次绕组的电压变换关系为 （3-11） 其中，K为变压器的变比，即一、二次绕组的匝数之比。 由式（3-11）可以看出，当变压器的输入电压一定时，只要改变一、二次绕组的匝数之比，就可得到不同的输出电压。当时，，，对应的变压器称为降压变压器；反之，当时，，，对应的变压器称为升压变压器。 2）电流变换 若将图中的开关S闭合，即变压器连接负载，则在感应电压的作用下，二次绕组中将有电流通过。二次绕组的磁通势也会产生磁通，一次绕组中将产生感应电流，这会使得一次绕组中的电流发生变化。将变压器空载时一次绕组的电流记作，将接入负载后一次绕组的电流记作。于是，在变压器空载时，主磁通由一次绕组的磁通势决定；变压器接入负载后，主磁通由一、二次绕组的合成磁通势决定。 从式（3-9）可以看出，当和f不变时，和也基本不变。也就是说，无论空载还是负载，铁芯中主磁通的最大值都基本不变，因此 由于空载电流很小，其有效值为一次绕组额定电流的2%～10%，可忽略不计，因此 （3-12） 于是，一、二次绕组的电流变换关系为 （3-13） 式（3-13）表明变压器一、二次绕组的电流之比与它们的匝数成反比。其中，一次绕组的电流由变压器所接负载的电流决定。 3）阻抗变换 变压器不但能变换电压和电流，还能变换阻抗。在变压器中，设一、二次绕组的内阻、漏磁通及空载电流均忽略不计，则负载的阻抗模为 【教师】通过多媒体展示“负载阻抗的等效变换”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 如图所示的方框部分可以用一个阻抗模来等效代替。则有 由式（3-11）和式（3-13）可得 因此 （3-14） 式（3-14）表明，负载阻抗模经过变压器的阻抗变换后，扩大了倍。为了达到电路的匹配状态，使负载获得最大输出功率，可采用具有合适变比的变压器，把负载阻抗模变换为所需要的数值，这种方法称为阻抗匹配。 5．变压器的外特性 【教师】组织学生观看“变压器的应用”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 变压器带负载运行时，二次绕组上存在阻抗，可产生电压降，这就使得二次绕组的电压随负载电流的变化而变化。变压器的外特性是指在电源电压和负载功率因数不变的条件下，二次绕组的电压随电流变化的规律，即。对电阻性和电感性负载而言，电压随电流的增大而减小，而电容性负载则相反。 【教师】通过多媒体展示“变压器的外特性曲线”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 通常情况下，电压的变化越小越好。从空载到额定负载，二次绕组电压的变化程度用电压变化率ΔU表示，即 （3-15） 电压变化率是变压器的主要性能指标之一，它反映了变压器输出电压的稳定性。在一般的变压器中，由于其电阻和漏磁通均很小，因此电压变化率也较小，约为5%。 【学生】聆听、思考、理解、记录
课堂实践 【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 连接电路 1）测试单相变压器的变比 单相变压器的一次绕组接入额定电压，二次绕组不接负载，测量一次绕组电压和二次绕组空载电压，计算变比。计算结果为 。 2）测试单相变压器的外特性 保持额定电压不变，然后在二次绕组中逐个接通白炽灯，每次分别测量、、，并将测量结果填入表3-3中。根据测量结果绘制曲线，并计算单相变压器的电压变化率ΔU。计算结果为 。 表3-3 单相变压器外特性测量结果 项目1盏白炽灯2盏白炽灯3盏白炽灯
【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——测试单相变压器的变比和外特性” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表
探索活动 【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 变压器广泛应用于各行各业。请查找身边的变压器应用实例，查阅有关资料，分析其工作原理和技术数据。 【学生】查阅、分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结
课堂小结 【教师】简要总结本节课的要点 磁路的基本物理量、欧姆定律和电磁感应定律 变压器的分类、基本结构、铭牌数据、铭牌数据和外特性 测试单相变压器的变比和外特性 【学生】总结回顾知识点
作业布置 【教师】布置课后作业 请根据课堂知识，正确测试单相变压器的外特性。 【学生】完成课后任务
教学反思课题 正弦交流电路（二）——认识三相交流电路
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握三相交流电源的工作原理和表示方法 （2）掌握三相交流电路的联结方法 （3）掌握三相交流电路功率的计算方法 （4）能够测量三相交流电路的电压和电流 素质目标： （1）培养执着专注、科学严谨、精益求精、追求卓越的工匠精神 （2）厚植民族自豪感和文化自信心
教学重难点 教学重点：三相交流电源的工作原理和表示方法，三相交流电路的联结方法，三相交流电路功率的计算方法 教学难点：测量三相交流电路的电压和电流
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程 主要教学内容及步骤
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——测量三相交流电路的电压和电流”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学了解三相交流电路的相关知识 【学生】完成课前任务
考勤 【学生】班干部报请假人员及原因
任务导入 【教师】提出以下问题： 什么是三相交流电？三相交流电适用于什么场合？ 【学生】思考、举手回答
传授新知 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍三相交流电源、三相交流电路的联结方法和三相交流电路的功率等内容 2.2.1 三相交流电源 1．三相交流电源的工作原理 三相交流电路是指由三相交流电源和三相负载组成的电路。其中，三相交流电源是指由3个频率相同、相位互差120°的正弦交流电压源，按一定方式连接起来的电源。最常见的三相交流电源是三相交流发电机。 【教师】通过多媒体展示“三相交流发电机的三相定子绕组”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 三相交流发电机主要由定子和转子组成，定子铁芯内圆周表面的槽内均匀嵌入了3个定子绕组、和，称为三相定子绕组。其中，、和均为三相定子绕组的始端，、和均为三相定子绕组的末端。这3个定子绕组在空间上分别相隔。 转子的铁芯上绕有励磁绕组，当转子以匀角速度转动时﹐会使三相定子绕组、和依次切割磁力线，从而得到三相对称电压、和﹐形成三相交流电源。 若三相交流电源中3个正弦交流电压源的振幅相等，则称该三相交流电源为三相对称电源。下文所指的三相交流电源均是指三相对称电源。 2．三相交流电源的表示方法 在三相交流电源中，设三相对称电压的参考方向为由始端指向末端，并以为参考正弦量，则有 （2-27） 其相量表达式为 （2-28） 【教师】通过多媒体展示“三相对称电压的波形和相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 三相对称电压的瞬时值及相量之和均为0，即 （2-29） 三相对称电压出现正值（或相应零值）的顺序称为相序。式（2-27）中三相对称电压的相序U→V→W称为正序，即V相滞后于U相，W相又滞后于V相。反之，相序W→V→U称为负序。通常规定，三相交流电源的三根相线分别涂以黄、绿、红三色来区分U、V、W三相。 2.2.2 三相交流电路的联结方法 1．三相交流电源的联结方法 【教师】通过多媒体展示“三相交流电源的Y联结”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 三相交流电源的联结方法主要有Y联结和△联结两种，下面分别进行介绍。 1）Y联结 将三相交流发电机三相定子绕组的3个末端、和连接于N点，将3个始端、和作为输出端，这种连接方式称为三相交流电源的Y联结，如图2-29所示。在Y联结中，N点称为中性点或零点，从N点引出的导线称为中性线，俗称零线。从、和引出的3根导线、和称为相线，俗称火线。 在三相交流电源中，每相绕组始端与末端之间的电压，即相线与中性线之间的电压，称为相电压，其有效值用、和表示，或者用表示。任意两始端之间的电压，即两相线之间的电压，称为线电压，其有效值用、和表示，或者用表示。 三相交流电源做Y联结时，其相电压和线电压有所不同。 【教师】通过多媒体展示“三相交流电源做Y联结时相电压和线电压之间的相量关系”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 线电压也是频率相同、振幅相等、相位互差120°的三相对称电压。同时，从图中还可以看出每个线电压在相位上比相应的相电压超前30°，因此相电压与线电压的相量关系表达式为 （2-30） 由式（2-30）可得，线电压的有效值是相电压有效值的倍，其大小关系为 （2-31） 【点拨】 就供电方式而言，从三相交流电源引出三根相线和一根中性线的供电方式称为三相四线制，用表示；仅引出三根相线的供电方式称为三相三线制，用Y表示。其中，三相四线制供电方式可向用户提供相电压和线电压两种电压，主要用于低压供电系统。我国低压供电系统的相电压为220 V，线电压为380 V。三相三线制供电方式由于没有中性线，只能向用户提供线电压，因此主要用于高压输电系统。 2）△联结 【教师】通过多媒体展示“三相交流电源的△联结”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 依次将一相绕组的始端与另一相绕组的末端连接，再将三个连接点作为输出端，这种连接方式称为三相交流电源的△联结。 三相交流电源做△联结时，相电压与线电压的相量关系表达式为 （2-32） 由式（2-32）可知，线电压的有效值等于相应的相电压的有效值，即。 【点拨】 做△联结的三相交流电源，相当于三个单相交流电压源同时作用在三相绕组的闭合回路中。由于，因此闭合回路中的总电压为0 V，不会产生环流。但若有一相绕组接反，则，闭合回路中将会产生很大的环流，从而导致三相交流电源被烧毁。因此，在使用时应加以注意。 2．三相负载的联结方法 根据所需供电电源类型的不同，负载可分为单相负载和三相负载两类。其中，三相负载又可分为两类：若各相负载的阻抗相等，即，则该负载称为三相对称负载，如三相交流电动机等；否则，称为三相不对称负载。 三相负载的联结方法也主要有Y联结和△联结两种。无论做Y联结还是做△联结，三相负载中每相负载始、末两端之间的电压都称为负载的相电压，任意两相负载始端之间的电压称为负载的线电压。在三相交流电路中，通过每相负载的电流称为相电流，其有效值用表示；通过相线的电流称为线电流，其有效值用表示。 当三相负载接入三相交流电路时，应当使加在三相负载上的电压等于其额定电压，并尽可能使各相负载均匀对称，从而使三相交流电源趋于平衡。 1）Y联结 【教师】通过多媒体展示“三相负载做Y联结的三相四线制电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 如图所示，将三相负载的末端连接于点，并与三相交流电源的中性线相连，三相负载的始端分别接到三根相线上，这种连接方法称为三相负载的Y联结，这种连接方法组成的电路称为三相负载做Y联结的三相四线制电路。其中，、和分别为每相负载的阻抗模。 无论三相负载是否对称，其相电压和线电压都分别等于三相交流电源的相电压和线电压，而且其相电流的有效值等于相应线电流的有效值，即 （2-33） 【教师】通过多媒体展示“三相负载做Y联结时电压和电流的相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 当三相负载做Y联结时，由于各相电源与各相负载经中性线组成了各自独立的回路，因此可以利用单相交流电路的分析方法来对每相负载进行独立分析。此时，相电流为 （2-34） 中性线上的电流可根据KCL得出，即 （2-35） 若三相交流电路中的三相负载也对称，即，则此时的电路被称为三相对称电路。由于电压对称且各相负载相同，因此通过各相负载的电流也是对称的，即 （2-36） 此时，中性线上的电流等于0，即 （2-37） 【教师】通过多媒体展示“三相三线制电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 在三相对称电路中，取消中性线后不会影响该电路的正常工作，此时三相四线制电路实际上就变成了三相三线制电路。 在三相四线制电路中，中性线的作用非常大。当负载不对称时，中性线的电流不等于0。此时，中性线绝对不能去掉，否则负载上的相电压将会不对称，从而导致有的负载上的相电压大于额定电压，有的负载上的相电压小于额定电压，使负载损坏或不能正常工作。因此，规定不准在三相四线制电路的中性线上安装开关和熔断器，而且为了使中性线本身具有足够的机械强度，可在中性线中加装钢芯。 【经验传承】 当三相负载对称时，三相三线制电路与三相四线制电路完全相同，两者关于相电流的计算方法也相同，且只需要计算其中任意一相的电流，便可推算出另外两相的电流。 2）△联结 【教师】通过多媒体展示“三相负载做△联结的三相交流电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 将三相负载分别连接到三相交流电源的两根相线之间，这种连接方式称为三相负载的△联结，其中，、和分别为每相负载的阻抗模。 由于每相负载都直接连接在电源的两根相线之间，因此各相负载的相电压与三相交流电源的线电压相等，且无论三相负载是否对称，其相电压总是对称的，即 （2-38） 【教师】通过多媒体展示“三相对称负载做△联结时线电流与相电流的相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 当三相负载做△联结时，若三相负载对称，即，则各相负载的相电流也是对称的。此时，线电流与相电流的相量。 当三相对称负载做△联结时，线电流也是对称的，其有效值为相电流有效值的倍，其相位比相应的相电流滞后30°，即 （2-39） 2.2.3 三相交流电路的功率 【教师】组织学生观看“交流电路的功率”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 三相交流电路可看作三个单相交流电路的组合，因此单相交流电路功率的计算方法可直接应用于三相交流电路。 1．有功功率 在三相交流电路中，无论负载如何连接，电路总的有功功率都等于各相有功功率之和，即 （2-40） 在三相对称电路中，式（2-40）可写为 （2-41） 式中： ——相电压的有效值与相电流的有效值之间的相位差。 在实际应用中，由于线电压和线电流的测量较为容易，因此三相交流电路的有功功率通常用线电压和线电流来计算。当三相对称负载做Y联结时，有 ， 当三相对称负载做△联结时，有 ， 因此，无论三相对称负载是做Y联结还是做△联结，其有功功率均为 （2-42） 2．无功功率与视在功率 无论三相对称负载是做Y联结还是做△联结，其无功功率均为 （2-43） 其视在功率为 （2-44） 【学生】聆听、思考、理解、记录
课堂实践 【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 1）测量三相负载做Y联结的三相交流电路 （1）如图所示连接电路，使三相灯组负载经三相调压器接通三相交流电源。将三相调压器的旋柄置于输出为0 V的位置（即逆时针旋转到底）。 （2）经指导教师检查，合格后方可接通电源，然后调节三相调压器，使其输出的相电压为220 V。 （3）在上图所示的电路中，分别测量三相灯组负载在如表2-6所示不同接线方法下的线电流、相电流、线电压、相电压、中性线电流（）、负载中性点与N点之间的电压（），将所测数据填入表2-6中，并观察三相灯组负载明暗的变化，分析中性线的作用。 表2-6 三相交流电路电压和电流的测量数据（一） 负载情况开灯盏数线电流 相电流（A）线电压（V）相电压（V）（A）（V）相相相接平衡负载333Y接平衡负载333接不平衡负载123Y接不平衡负载123接相断开13Y接相断开33Y接相短路13
2）测量三相负载做△联结的三相交流电路 如图所示连接电路，经指导教师检查，合格后接通三相交流电源。调节三相调压器，使其输出的线电压为220 V，并按如表2-7所示的内容进行测量，将所测数据填入表2-7中。 表2-7 三相交流电路电压和电流的测量数据（二） 负载情况开灯盏数线电压相电压（V）线电流（A）相电流（A）—相—相—相三相平衡333三相不平衡123
【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——测量三相交流电路的电压和电流” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表
探索活动 【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 三相交流电路广泛应用于工业生产各领域，请查阅有关资料，分析三相交流电路的特点，列举常用的三相交流负载。 【学生】查阅、分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结
课堂小结 【教师】简要总结本节课的要点 三相交流电源的工作原理和表示方法 三相交流电路的联结方法 三相交流电路功率的计算方法 测量三相交流电路的电压和电流 【学生】总结回顾知识点
作业布置 【教师】布置课后作业 请根据课堂知识，正确测量三相交流电路的电压和电流。 【学生】完成课后任务
教学反思课题 正弦交流电路（一）——认识正弦交流电路
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握正弦交流电的三要素和相量表示法 （2）掌握单一正弦交流电路的表示方法和特性 （3）掌握RLC串联/并联电路的分析方法和特性 （4）掌握正弦交流电路功率的计算方法 （5）能够测量RLC的阻抗频率特性 素质目标： （1）培养执着专注、科学严谨、精益求精、追求卓越的工匠精神 （2）厚植民族自豪感和文化自信心
教学重难点 教学重点：正弦交流电的三要素和相量表示法 教学难点：RLC串联/并联电路的分析方法和特性
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程 主要教学内容及步骤
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——测量RLC的阻抗频率特性”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学了解正弦交流电路的相关知识 【学生】完成课前任务
考勤 【学生】班干部报请假人员及原因
任务导入 【教师】提出以下问题： 正弦交流电相较于直流电有哪些特点？ 【学生】思考、举手回答
传授新知 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍正弦交流电、单一参数正弦交流电路、正弦交流电路的分析等内容 2.1.1 正弦交流电概述 大小和方向均随时间做周期性变化的电压和电流统称为交流电。若交流电的电压和电流是随时间按正弦函数规律变化的，则称其为正弦交流电。 1．正弦交流电的三要素 【教师】通过多媒体展示“正弦交流电流的波形”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 正弦交流电流的波形，该波形的数学表达式为 （2-1） 式中： i ——正弦交流电流的瞬时值； ——正弦交流电流的振幅（最大值）； ——正弦交流电的角频率，又称角速度，单位为弧度/秒（rad/s）； ——正弦交流电的初相位。 正弦交流电压的数学表达式为 （2-2） 式中： u ——正弦交流电压的瞬时值； ——正弦交流电压的振幅。 由式（2-1）和式（2-2）可知，当角频率、振幅和初相位确定以后，正弦交流电流（或正弦交流电压）就被确定下来了。因此，角频率、振幅和初相位又称为正弦交流电的三要素。 1）周期、频率和角频率 正弦交流电可用周期、频率或角频率来表示其变化的速率。其中，周期是指正弦交流电完成一次循环变化所用的时间，用T表示，单位为秒（s）；频率是指正弦交流电在单位时间内做周期性循环变化的次数，用f表示，单位为赫（Hz）。根据定义，周期与频率互为倒数，即 （2-3） 正弦交流电变化一个周期T，相当于正弦函数变化弧度，角频率则是指正弦交流电在单位时间内变化的弧度。角频率用表示，单位为弧度/秒（rad/s），它与周期和频率之间的关系为 （2-4） 2）振幅和有效值 振幅是指正弦交流电在一个周期内所能达到的最大瞬时值，用大写字母加下标m表示，它反映了正弦交流电变化的幅度。 如果正弦交流电流i通过电阻R在一个周期内产生的热量，与相同时间内直流电流I通过电阻R产生的热量相等，那么就把这一直流电流I的数值称为正弦交流电流i的有效值。正弦交流电流的有效值为 （2-5） 正弦交流电压的有效值为 （2-6） 【点拨】 我国工业和民用单相交流电源均采用正弦交流电，其电压的有效值为220 V，频率为50 Hz，这一交流电压通常简称为工频电压。 3）初相位和相位差 式（2-1）中的称为正弦交流电的相位角，简称相位，单位为度（°）或弧度（rad），它能反映正弦交流电变化的进程。时的相位称为初相位角，简称初相位或初相。通常规定初相位的绝对值不大于π。 【教师】通过多媒体展示“正弦交流电流的相位差”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 相位差是指两个同频率正弦交流信号（电压或电流）的相位之差。如果两个同频率的正弦交流信号出现正值的时间有先有后，即“步调”不完全一致，那么就可以认为它们之间存在相位差。如图，设两个同频率的正弦交流电流为 ， 则它们的相位分别为和，它们的相位差为 （规定） 【教师】组织学生观看“正弦交流信号的发生与测量仪器仪表”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 两个同频率正弦交流信号的相位关系有以下几种情况。 （1）若，则称第一个正弦交流信号比第二个正弦交流信号超前。 （2）若，则称第一个正弦交流信号比第二个正弦交流信号滞后。 （3）若，则称第一个正弦交流信号与第二个正弦交流信号同相。 （4）若（或），则称第一个正弦交流信号与第二个正弦交流信号反相。 （5）若（或），则称第一个正弦交流信号与第二个正弦交流信号正交。 2．正弦量的相量表示法 随时间按正弦函数规律变化的电压和电流等物理量统称为正弦量。将正弦量用相量来表示，然后利用相量法来解决正弦量的计算问题，就可以简化复杂的数学计算。 1）振幅相量表示法 正弦量可以用振幅相量来表示，即用正弦量的振幅作为相量的长度，用初相位作为相量的幅角（相量与实轴正方向的夹角）。例如，有两个正弦量分别为 ， 则它们的振幅相量如图。 2）有效值相量表示法 当对电路进行分析时，正弦量通常采用有效值相量来表示，即用正弦量的有效值作为相量的长度，用初相位作为相量的幅角。例如，有两个正弦量分别为 ， 【教师】通过多媒体展示“正弦量的振幅相量”和“正弦量的有效值相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 （1）相量是表示正弦量的复数量，其辐角等于初相位，其模等于振幅。例如，正弦量的相量为或。 （2）根据振幅相量表示法，式（2-1）的相量表达式为，其中表示电流的振幅相量。 （3）根据有效值相量表示法，式（2-1）的相量表达式为，其中表示电流的有效值相量。 2.1.2 单一参数正弦交流电路 单一参数正弦交流电路包括纯电阻电路、纯电感电路和纯电容电路三种，下面分别进行介绍。 1．纯电阻电路 【教师】通过多媒体展示“纯电阻电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 纯电阻电路是最简单的单相正弦交流电路。常见的白炽灯、电炉、电烙铁等都属于电阻性负载，它们与交流电源连接，从而组成了纯电阻电路。 在纯电阻电路中，电压与电流的关系可以用瞬时值、波形图和相量来表示。 1）瞬时值表示 在纯电阻电路中，电阻与电压、电流瞬时值之间的关系符合欧姆定律。设电阻两端的电压为 则 比较纯电阻电路中电压和电流的表达式可知，电压u和电流i的频率相同，电阻与电压、电流的最大值（或有效值）之间的关系也符合欧姆定律，而且电压与电流同相（相位差），它们的最大值之间满足 或 （2-7） 2）波形图表示 纯电阻电路中电压与电流的波形如图。 3）相量表示 在纯电阻电路中，电压与电流之间的关系可用相量表示为 （2-8） 【教师】通过多媒体展示“纯电阻电路中电压与电流的波形”、“纯电阻电路中电压与电流的相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 纯电阻电路中电压与电流的相量 对于纯电阻电路，若，则正弦交流电压可表示为 2．纯电感电路 【教师】通过多媒体展示“纯电感电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 变压器、电机的绕组和日光灯的镇流器等都含有电感线圈，当电感线圈的电阻非常小，可以忽略不计时，就可以认为它们是纯电感。纯电感与交流电源连接，即可组成纯电感电路。 在纯电感电路中，电压与电流的关系也可以用瞬时值、波形图和相量来表示。 1）瞬时值表示 设正弦交流电流为 当电压和电流为关联参考方向时，电感两端的电压为 比较纯电感电路电压和电流的表达式可知，电压u和电流i是同频率的正弦量，电压的相位超前电流90°，电压与电流在数值上满足 或 （2-9） 2）波形图表示 【教师】通过多媒体展示“纯电感电路中电压与电流的波形”和“纯电感电路中电压与电流的相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 纯电感电路中电压与电流的波形如图。 电感对交流电流起阻碍作用的能力称为感抗（正值电抗），用表示，单位为欧（Ω），其表达式为 （2-10） 当时，，表明电感对直流电流相当于短路。因此，电感具有“通直流阻交流、通低频阻高频”的作用。 3）相量表示 在纯电感电路中，电压与电流的关系可用相量表示为 （2-11） 式（2-11）中，j为虚数单位，且。 纯电感电路中电压与电流的相量。 3．纯电容电路 【教师】通过多媒体展示“纯电容电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 纯电容与交流电源连接，可组成纯电容电路。在纯电容电路中，电压与电流的关系也可以用瞬时值、波形图和相量表示。 1）瞬时值表示 设图中电容两端的电压为，则 比较纯电容电路中电压和电流的表达式可知，电压u和电流i是同频率的正弦量，电流的相位超前电压，电压与电流在数值上满足 或 （2-12） 2）波形图表示 纯电容电路中电压与电流的波形如图所示。 电容对交流电流起阻碍作用的能力称为容抗（负值电抗），用表示，单位为欧（Ω），其表达式为 （2-13） 电容对高频电流所呈现的容抗很小，相当于短路；而当频率f很小或（直流）时，电容相当于开路。因此，电容具有“通交流隔直流、通高频阻低频”的作用。 3）相量表示 在纯电容电路中，电压与电流的关系可用相量表示为 （2-14） 【教师】通过多媒体展示“纯电容电路中电压与电流波形”和“纯电容电路中电压与电流的相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 2.1.3 正弦交流电路的分析 1．RLC串联/并联电路 1）RLC串联电路 RLC串联电路。由KVL可得出电压的相量表达式，即 （2-15） 由电压相量组成的直角三角形称为电压三角形。利用电压三角形，可求得电源电压的有效值，即 因此，式（2-15）可写为 （2-16） 式（2-16）中，称为电路的阻抗，用Z表示，单位为欧（Ω），它对电流起阻碍作用，有 （2-17） 阻抗的幅角即电压与电流之间的相位差，它可从电压三角形得出，即 （2-18） 式（2-17）中，为阻抗模，用表示。因此，式（2-17）可写为 （2-19） 、R、三者之间的关系也可以用一个直角三角形来表示，该三角形称为阻抗三角形。 【教师】通过多媒体展示“RLC串联电路”、“电压三角形”、“阻抗三角形”、“RLC串联电路的相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 在RLC串联电路中，可选电压为参考相量，则与同相，比超前，比滞后，因此该电路的相量。 当时，，，比滞后，此时RLC串联电路呈感性。 当时，，，比超前，此时RLC串联电路呈容性。 当时，，，与同相，此时RLC串联电路呈阻性。这是RLC串联电路的一种特殊工作状态，称为串联谐振。 2）RLC并联电路 RLC并联电路各元件两端的电压相等，由KCL可得出电流的相量表达式，即 其中，实部，称为电导；，称为感纳；，称为容纳；，称为电纳；，称为导纳。它们的单位均为西（S）。 【教师】通过多媒体展示“RLC并联电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 由导纳表示的相量模型如图。 RLC并联电路的导纳为 （2-20） 其中，导纳的模为 导纳的导纳角为 （2-21） 【教师】通过多媒体展示“导纳三角形”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 同样，G、B、三者也可以用一个直角三角形来表示，该三角形称为导纳三角形。 【教师】通过多媒体展示“RLC并联电路的相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 在RLC并联电路中，若选电压为参考相量，则与同相，比滞后90°，比超前90°，由此可画出该电路的相量。 当（）时，，，，比滞后，此时RLC并联电路呈感性。 当（）时，，，，比超前，此时RLC并联电路呈容性。 【教师】组织学生观看“正弦交流电的应用与意义”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 当（）时，，，，与同相，此时RLC并联电路呈阻性。这是RLC并联电路的一种特殊工作状态，称为并联谐振。 2．正弦交流电路的功率 1）瞬时功率 在一般负载的交流电路中，电压u和电流i之间存在相位差，相位差的大小和正负均由负载确定，则电压u与电流i的关系可表示为 ， 瞬时功率用p表示，其单位为瓦（W），其表达式为 （2-22） 2）视在功率 二端元件或二端电路端子间电压的有效值U与电流的有效值I的乘积称为视在功率，又称表观功率，用S表示，即 （2-23） 在国际单位制中，视在功率的单位为伏安（V·A），常用的单位还有千伏安（kV·A）。 交流电气设备的容量是按照预先设计的额定电压和额定电流来确定的，用额定视在功率来表示，即 可见，交流电气设备的运行要受和的限制。 3）有功功率和功率因数 在周期状态下，瞬时功率在一个周期T内的平均值称为有功功率。有功功率是电路能源消耗的表现，其表达式为 （2-24） 由式（2-24）可知，正弦交流电路的有功功率不但与电压、电流的有效值有关，还与电压、电流相位差角的余弦值有关。 【教师】组织学生观看“提高功率因数的意义”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 周期状态下，有功功率的绝对值与视在功率S的比值，称为功率因数，用表示，则有 （2-25） 在式（2-25）中，对于电阻，，；对于电感，，；对于电容，，。 由此可见，在正弦交流电路中，电感和电容实际上不消耗电能，而电阻总是消耗电能。在国际单位制中，有功功率的单位为瓦（W），常用的单位还有千瓦（kW）。 由于电源设备输出的有功功率随负载功率因数的变化而变化，不是一个常数，因此电源设备通常用视在功率而非有功功率来表示其容量，以说明电源设备可输出的最大功率。 4）无功功率 由于电路中有储能元件电感和电容，它们虽不消耗功率，但要与电源进行能量交换，因此这种能量交换的规模用无功功率表示。对于正弦交流电路中的线性二端元件或二端电路，无功功率的值等于视在功率S和（端子间电压对电流的）相位差角的正弦值的乘积，用Q表示，即 （2-26） 【教师】通过多媒体展示“功率三角形”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 视在功率S、有功功率P和无功功率Q可以构成一个直角三角形，该三角形称为功率三角形。 【点拨】 相位差角又称相位移角，是指在正弦状态下施加在线性二端元件或二端电路的电压与该元件或电路中的电流之间的相位差。 【学生】聆听、思考、理解、记录
课堂实践 【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 （1）测量RLC的阻抗频率特性。通过电缆线将低频信号发生器的正弦交流信号输出端接至图示的电路中，作为激励源u，使用交流毫伏表测量，使激励电压的有效值，并保持不变。 将低频信号发生器的输出频率从200 Hz逐渐增至5 kHz（用频率计测量），并使开关S分别接通RLC三个元件，用交流毫伏表测量，并计算各频率下、、（即），以及R（）、（）、（）的值。在接通C测量时，应控制低频信号发生器的频率为200～2 500 Hz。 （2）用双踪示波器观察在不同频率下RLC各元件阻抗角的变化情况，按图示的方法记录n和m，并计算出。用示波器测量阻抗角时，若从荧光屏上数得一个周期占n格，相位差占m格，则实际的阻抗角为 （3）重新连接电路，使RLC串联，参照步骤（1）测量RLC的阻抗频率特性。 ……（详见教材） 【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——测量RLC的阻抗频率特性” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表
探索活动 【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 请查阅有关资料，分析收音机电路中输入调谐回路的工作原理，讨论该回路中RLC的作用。 【学生】查阅、分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结
课堂小结 【教师】简要总结本节课的要点 正弦交流电的三要素和相量表示法 单一正弦交流电路的表示方法和特性 RLC串联/并联电路的分析方法和特性 正弦交流电路功率的计算方法 【学生】总结回顾知识点
作业布置 【教师】布置课后作业 请根据课堂知识，正确测量RLC的阻抗频率特性。 【学生】完成课后任务
教学反思课题 直流电路（二）——分析与测量直流电路
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握直流电路常用的分析方法 （2）掌握通过试验验证基尔霍夫定律和叠加定理的方法 素质目标： （1）树立勇于探索、追求真理的职业精神 （2）养成坚持不懈、刻苦钻研的工作作风
教学重难点 教学重点：直流电路常用的分析方法 教学难点：通过试验验证基尔霍夫定律和叠加定理
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程 主要教学内容及步骤
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——验证基尔霍夫定律和叠加定理”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学了解基尔霍夫定律和叠加定理 【学生】完成课前任务
考勤 【学生】班干部报请假人员及原因
问题导入 （5 min） 【教师】提出以下问题： 你知道哪些电路的分析方法？它们的优缺点各是什么？ 【学生】思考、举手回答
传授新知 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍基尔霍夫定律 1.2.1 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（kirchhoff current law，简称KCL）和基尔霍夫电压定律（kirchhoff voltage law，简称KVL），前者应用于电路中的节点，后者应用于电路中的回路。基尔霍夫定律是电路理论中最基本、最重要的定律之一。 1．基本概念 【教师】通过多媒体展示“KCL电路举例”图片（详见教材），并介绍相关知识 （1）支路。电路中的每一分支称为支路，支路中通过的电流称为支路电流。该电路中有三条支路，分别为acb、adb和ab。其中，支路acb和adb中含有电源，称为有源支路；支路ab中不含电源，称为无源支路。 （2）节点。电路中三条及三条以上支路的连接点称为节点。如图1-16所示的电路中有两个节点，分别为a和b。 （3）回路。电路中的任一闭合路径称为回路。如图1-16所示的电路中有三个回路，分别为abca、abda和adbca。 （4）网孔。将电路画在平面上，内部不含有任何支路的回路称为网孔。如图1-16所示的电路中有两个网孔，分别为abca和abda。 2．KCL KCL的内容为：指向电路任一节点的各支路电流，它们的代数和为0，即 （1-18） KCL的另一种表述为：在任一时刻，流入某一节点的电流之和恒等于流出该节点的电流之和，即 （1-19） 式（1-18）、式（1-19）又称节点电流方程。对于如图1-16所示的电路，节点a处有 节点b处有 （与上式相同） 对于节点数为m的电路，其节点电流方程的个数为。 【经验传承】 应用KCL时，应注意以下几点。 （1）在列节点电流方程时，必须先设定电流的参考方向，然后依据电路图中标定的电流参考方向，正确列出相应的方程。 （2）KCL不但适用于线性电路，还适用于非线性电路。 （3）KCL不但适用于电路中的节点，还适用于电路中任一假设的闭合面，即在任一时刻，通过电路中任一假设闭合面的电流代数和等于0。 3．KVL 【教师】通过多媒体展示“KVL电路举例”图片（详见教材），并介绍相关知识 KVL的内容为：在沿电路的任一闭合路径中，无源电路元件的端电压和电源电压的代数和为0，即 （1-20） 式（1-20）又称回路电压方程。如图所示，三条回路的参考绕行方向均选择顺时针方向，并且约定：电路元件两端电压从“”到“”的参考方向与参考绕行方向一致时取正，相反时取负。由此可对三条回路分别列出回路电压方程。其中，回路Ⅰ的回路电压方程为 回路Ⅱ的回路电压方程为 回路Ⅲ的回路电压方程为 （此方程不独立，故省略） 因此，回路电压方程的个数与独立网孔的个数相同。 【经验传承】 应用KVL时，应注意以下几点。 （1）在列回路电压方程前，必须先标出各元件的端电压、各支路电流的参考方向及回路的参考绕行方向，然后依据电路图中标定的参考方向，正确列出相应的回路电压方程。 （2）与KCL相同，KVL不但适用于线性电路，还适用于非线性电路。 【教师】讲解“砥节砺行”的内容（详见教材），引导学生善于学习、勇于钻研，只有学好基础理论和方法，才能更好地解决实际问题 1.2.2 支路电流法 1．支路电流法的内容 【教师】组织学生观看“回路电流法”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致了解 对于复杂电路，可以用KCL和KVL推导出各种分析方法，支路电流法就是其中之一。支路电流法的内容为：以电路中各支路电流为未知量，应用KCL和KVL分别对节点和回路列出所需要的方程组，然后解出各支路电流。 对于任何一个复杂电路，如果以各支路电流为未知量，应用KCL和KVL列方程组，则必须先在电路图上标出未知支路电流和电压的参考方向。 2．应用支路电流法的步骤 对于含有n条支路、m个节点的电路，应用支路电流法的步骤一般如下。 （1）选定各支路电流为未知量（有n个未知量），并标出各支路电流的参考方向。 （2）应用KCL，列出个节点电流方程。 （3）指定回路的参考绕行方向，应用KVL，列出个回路电压方程。 （4）代入已知数，解联立方程，求出各未知支路的电流。 （5）确定各支路电流的方向。当支路电流计算结果为正时，说明该支路电流的方向与标出的参考方向一致；当支路电流计算结果为负时，说明支路电流方向与标出的参考方向相反。 1.2.3 叠加定理 1．叠加定理的内容 【教师】通过多媒体展示“叠加定理”图片（详见教材），并介绍相关知识 叠加定理的内容为：在线性电路中，若含有多个独立电源，则它们共同作用在某一支路中产生的电压或电流，必定等于各独立电源单独作用时所产生的电压或电流的代数和。应用叠加定理时，当电流源不作用时应视其为开路，当电压源不作用时应视其为短路。 2．应用叠加定理的步骤 【教师】组织学生观看“叠加定理”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 对于复杂电路，应用叠加定理的步骤一般如下。 （1）在原电路中标出所求量（总量）的参考方向。 （2）画出各电源单独作用时的电路图，并标出各分量的参考方向。 （3）分别计算出各分量。 （4）将各分量叠加。若分量与总量的参考方向一致，则该分量取正；若分量与总量的参考方向相反，则该分量取负。 【经验传承】 叠加定理是线性电路分析中的一个重要定理。应用叠加定理时，应注意以下几点。 （1）叠加定理只适用于线性电路。 （2）线性电路的电流和电压均可用叠加定理计算，但功率不能用叠加定理计算，这是因为功率。 （3）不作用的电源应进行适当处理：当时，电压源短路；当时，电流源开路。 （4）计算时，要先标出各支路电流和电压的参考方向。若电流分量和电压分量与原电路中电流、电压的参考方向相反，则叠加时相应项的前面要带负号。 （5）应用叠加定理时，可以把电源分组计算，即单独作用的电源个数可以大于1。 1.2.4 戴维南定理 1．戴维南定理的内容 【教师】通过多媒体展示“二端网络”图片（详见教材），并介绍相关知识 电路中具有两个出线端的部分电路称为二端网络。二端网络可分为有源二端网络和无源二端网络。其中，有源二端网络中含有电源；无源二端网络中不含电源。 【教师】通过多媒体展示“戴维南定理”图片（详见教材），并介绍相关知识 在复杂电路的计算中，若只需计算某一支路电流，可把这个支路画出，而把其余部分看成是一个有源二端网络。无论有源二端网络的繁简程度如何，它对所要计算的这个支路来说都相当于一个电源。因此，任何一个线性有源二端网络对外电路来说，都可用一个电压源和电阻串联的电路模型来等效代替。该电压源的电压等于有源二端网络的开路电压，其电阻等于有源二端网络内部所有电源都不起作用（电压源短路且电流源开路）时，所得到的无源二端网络的等效电阻，这就是戴维南定理。 2．应用戴维南定理的步骤 【教师】组织学生观看“戴维南定理”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 应用戴维南定理的步骤一般如下。 （1）把待求支路从电路中断开，其余部分即形成一个有源二端网络，求其等效电路的和。 （2）用此等效电路代替原电路中的有源二端网络，求出待求支路电流。 【学生】聆听、思考、理解、记录
课堂实践 【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 1）验证基尔霍夫定律 （1）实施前，先任意设定3条支路电流的参考方向和3条闭合回路的绕行正方向。本任务中、、的参考方向已设定，如图1-14所示。设3条闭合回路的绕行正方向分别为ADEFA、BADCB和FBCEF。 （2）分别将2路直流电源接入电路，令，。根据基尔霍夫定律，计算、、、、、、、、、的值。 （3）将电流插头的两端接至直流电流表的“”“”两端。 （4）将电流插头分别插入3条支路的3个电流插座中。读取电流并将其填入表中。 （5）用直流电压表分别测量2路直流电源及电阻的电压，将测量结果填入表1-8中。 表1-8 基尔霍夫定律的验证测量结果 被测量计算值测量值相对误差
（6）计算各测量值与计算值之间的相对误差，分析产生误差的原因。 2）验证叠加定理 （1）分别将2路直流电源接入电路，令，。 （2）令直流电源单独作用（将开关置于侧，开关置于短路侧）。 （3）用直流电压表和直流电流表（接电流插头）测量各支路电流及各电阻两端的电压，并将测量结果填入表1-9中。 （4）令直流电源单独作用（将开关置于短路侧，开关置于侧），重复步骤（3）的测量，并将测量结果填入表1-9中。 （5）令直流电源和共同作用（分别将开关和置于和侧），重复步骤（3）的测量，并将测量结果填入表1-9中。 （6）令直流电源单独作用，将的值调至，重复步骤（3）的测量，并将测量结果填入表1-9中。 表1-9 叠加定理的验证测量结果（一） 测量项目
（mA）
（mA）
（mA）单独作用单独作用、
共同作用12 V的
单独作用
（7）按下任一故障设置按键，重复步骤（5）的测量，并将测量结果填入表1-10中。 表1-10 叠加定理的验证测量结果（二） 测量项目、
共同作用
（8）根据上述测量结果分析故障的性质。 定律是为实践和事实所证明，反映事物在一定条件下发展变化的客观规律的论断。它是客观规律的统称，是解锁宇宙奥秘的钥匙。请查阅资料，分析基尔霍夫定律从被发现到被证明，再到被广泛应用的全过程，说说你的感想。 ……（详见教材） 【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——测试电阻的伏安特性” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表
课堂小结 【教师】简要总结本节课的要点 连接基尔霍夫定律验证电路 正确测量基尔霍夫定律验证电路并验证基尔霍夫定律 正确验证叠加定理 【学生】总结回顾知识点
作业布置 【教师】布置课后作业 请根据课堂知识，正确验证叠加定理。 【学生】完成课后任务
教学反思课题 直流电路（一）——掌握电路的基本知识
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）了解电路的组成 （2）掌握电路基本物理量的计算和测量方法 素质目标： （1）树立勇于探索、追求真理的职业精神 （2）养成坚持不懈、刻苦钻研的工作作风
教学重难点 教学重点：了解电路的组成 教学难点：电路基本物理量的计算和测量方法
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程 主要教学内容及步骤
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——测试电阻的伏安特性”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学了解白炽灯的基本工作原理 【学生】完成课前任务
考勤 【学生】班干部报请假人员及原因
新课预热 【教师】自我介绍，与学生简单互动，介绍课程内容、考核标准等 【学生】聆听、互动 【教师】讲一些直流电路的应用场景从而归纳直流电路的作用 在使用电能时，需要用导线将电源和用电设备合理地连接起来，组成电路，才能使电流在用电设备中做功或进行信号的转换和传递。电力、电子、通信、计算机和自动化等学科都是建立在电路理论基础上的。 根据电路中电流性质的不同，电路可分为直流电路和交流电路。其中，直流电路是指电流的大小和方向都不随时间变化的电路，它是电路最基本的形式。直流电路中的一些规律在交流电路中也同样适用。 下面，介绍电路的基本知识以及直流电路的分析与测量方法。 【学生】聆听、记录、理解
问题导入 【教师】提出以下问题： 白炽灯曾是人们普遍使用的一种灯具，它的原理是什么？ 【学生】思考、举手回答 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识
传授新知 【教师】引入新知，介绍电路的组成、基本物理量和基本元件等内容 1.1.1 电路的组成 电路是指电流的通路，它是为满足一定需要，由各种电路元件按一定方式组合起来的。电路既可用于传输、分配和转换电能，又可用于传递和处理信号。在实际应用中，无论电路的结构有多么复杂，它都是由电源、负载以及连接电源和负载的中间环节组成的。 为了便于对实际电路进行分析，通常用由统一规定符号表示的理想电路元件替代实际电路元件，建立实际电路的模型，即对实际电路进行“模型化”处理。这些由理想电路元件组成的电路称为电路模型，本书所介绍的电路均是指电路模型。 【教师】通过多媒体展示“实际电路”、“手电筒的实际电路及其电路模型”和“电路模型”图片（详见教材），并介绍相关知识 手电筒的实际电路，它由干电池、小灯泡、开关和导线组成。手电筒的电路模型。其中，电阻是小灯泡的模型，理想电压源和与其相串联的电阻是干电池的模型，导线和开关S是中间环节。 1.1.2 电路的基本物理量 在分析电路之前，首先介绍一下电流、电位、电压、电动势、电能、功率等电路的基本物理量。 1．电流 在电场力的作用下，导体内带有电荷的粒子会有规则地进行定向移动。此时，单位时间内通过导体任意横截面的电荷的大小称为电流，用i表示，即 （1-1） 式中： ——电流，单位为安（A）； ——电荷，单位为库（C）； ——时间，单位为秒（s）。 通常规定电流的方向为正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向。大小和方向都不随时间变化的电流称为直流电流，用I表示。对于直流电流，式（1-1）可写为 （1-2） 【点拨】 在电路中，根据各物理量的表示方法及书写规范，不随时间变化的物理量或物理量的有效值通常用大写字母表示，如直流电压和直流电流分别用U和I表示；随时间变化的物理量或物理量的瞬时值通常用小写字母表示，如交流电压和交流电流分别用u和i表示。 在国际单位制中，电流的单位为安（A），常用的单位还有毫安（mA）和微安（μA），它们之间的换算关系为 【教师】通过多媒体展示“电流的方向”图片（详见教材），并介绍相关知识 在分析电路时，电流的实际方向有时难以判断，此时需要选定一个方向作为电流的参考方向。为了便于分析，通常规定：若电流的实际方向与参考方向一致，则电流为正值；若电流的实际方向与参考方向相反，则电流为负值。 电流的参考方向可以用箭头表示，也可以用双下标表示。例如，表示电流的参考方向为由a指向b。 2．电位与电压 在电路中任选一点作为参考点，则电场力把单位正电荷从某点移动到参考点所做的功称为该点的电位，用v表示。 电场力把单位正电荷从a点移动到b点所做的功称为a、b两点之间的电压，用表示，即 （1-3） 式中： ——电压，单位为伏（V）。 习惯上规定电压的实际方向为由高电位端指向低电位端，即电位降低的方向。因此，电路中两点间的电压也可用两点间的电位差来表示，即 在直流电路中，电压用U表示，常用双下标表示，如，则 （1-4） 在国际单位制中，电压的单位为伏（V），常用的单位还有毫伏（mV）和千伏（kV），它们之间的换算关系为 【经验传承】 从实际应用的角度来讲，电路中的电流是在电压的作用下产生的，电路中两点之间的电压是不变的，而各点的电位则随所选参考点的不同而有所不同。因此，在分析同一电路时，只能选取一个电位参考点。 与电流类似，在分析电路的电压时，有时也需要先选定一个方向作为参考方向。为了便于分析，通常规定：若电压的实际方向与参考方向一致，则电压为正值；若电压的实际方向与参考方向相反，则电压为负值。 【教师】通过多媒体展示“电压的方向”图片（详见教材），并介绍相关知识 电压的参考方向可以用极性“”和“”表示，也可以用双下标表示。例如，表示电压的参考方向是由a指向b的。对于同一电路，如果选定的电流参考方向与电压参考方向一致，则把电流和电压的参考方向称为关联参考方向；否则，称为非关联参考方向。 【教师】组织学生观看“电位、电压、电动势的区别与联系”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 3．电动势 电动势是指电源内部的非静电力把单位正电荷从负极移动到正极所做的功，用e表示，即 （1-5） 式中： ——电动势，单位为伏（V）。 电动势反映了电源把其他形式的能量转换成电能的能力。电动势的实际方向为由低电位端指向高电位端，即电位升高的方向，因此，电源电动势的方向与电源两端电压的方向相反。 4．电能与功率 1）电能 电能是指电路元件在电路工作过程中吸收或消耗的电能量，用W表示，它可用一定时间内电场力对电荷所做的功来描述，则有 （1-6） 式中： W——电能，单位为焦（J）。 在实际应用中，电能通常用千瓦时（kW·h）作为单位，它与焦的换算关系为 2）功率 单位时间内电路元件吸收或消耗的电能量称为功率，用P表示，即 （1-7） 式中： P ——功率，单位为瓦（W）。 电路在工作状态下总伴随着能量的转换，而功率则反映了电路元件进行电能转换的能力。例如，某电灯的功率为100 W，表示该电灯在1 s内可将100 J的电能转换成光能和热能；某电动机的功率为1 000 W，表示该电动机在1 s内可将1 000 J的电能转换成机械能。 在计算电路某部分的功率时，可令U、I为关联参考方向。若计算的，则说明U、I的实际方向一致，这部分电路为负载性质，消耗功率；若计算的时，则说明U、I的实际方向相反，这部分电路为电源性质，产生功率。因此，从P的正、负就可以区分电路或电路元件的性质。 1.1.3 电路的基本元件 电路的基本元件主要有电阻、电感、电容、电压源和电流源等，下面分别进行介绍。 1．电阻 电阻是一种耗能元件，用R表示，其物理量的单位为欧（Ω）。电阻可分为线性电阻和非线性电阻两种，它们的特性有所不同。 【教师】通过多媒体展示“图形符号”和“伏安特性曲线”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 线性电阻两端的电压与通过其内部的电流成正比，即 或 （1-8） 这种电压与电流的关系称为欧姆定律。其中，线性电阻是一个与电压和电流无关的常数，其伏安特性曲线（即电压与电流的关系曲线）是一条通过原点的直线。 非线性电阻在电路中的图形符号。非线性电阻不遵循欧姆定律，其两端的电压与通过其内部的电流不成正比关系。非线性电阻不是一个常数，它随电压和电流的变化而变化，其伏安特性曲线是一条通过原点的曲线。 当电路中所有元件均为线性元件时，该电路称为线性电路；当电路中含有非线性元件时，该电路称为非线性电路。除非特别指明，下文所指的电阻均是指线性电阻。 1）电阻的串联 【教师】通过多媒体展示“电阻的串联”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 将若干个元件依次首尾相连地接在电路中，这样的连接方式称为串联。 电阻的串联电路具有以下特点。 （1）电路的总电流等于通过各电阻内部的电流，即 （2）电路的总电压等于各电阻两端的电压之和，即 （3）电路的总电阻等于各电阻的阻值之和，即 两个电阻串联，每个电阻都从总电压处分得一部分电压，所分得的电压与自身的电阻成正比，即电阻越大，所分得的电压就越多，这就是串联电路的分压规律。利用这一规律可以通过串联电阻来增大电压表的量程。 【点拨】 实际上，电压表都是在灵敏电流计上串联适当的分压电阻制成的，串联多个电阻就可以制成多量程电压表，数字万用表就是一个典型的应用实例。 2）电阻的并联 【教师】通过多媒体展示“电阻的并联”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 将电路中元件的始端与始端、末端与末端并接在电路中，这样的连接方式称为并联。 电阻的并联电路具有以下特点。 （1）各支路的电压相等，且等于并联电路的总电压，即 （2）电路的总电流等于各支路的电流之和，即 （3）电路总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数之和，即 两个电阻并联，每个电阻都从总电流处分得一部分电流，所分得的电流与自身的电阻成反比，即电阻越大，所分得的电流就越小，这就是并联电路的分流规律。利用这一规律可以通过并联电阻来增大电流表的量程。 【点拨】 对于电流表，由于在使用时必须将其串联在电路中，因此其内阻越小越好，这样就可以忽略电流表在电路中的分压作用；对于电压表，由于在使用时必须将其并联在电路中，因此其内阻越大越好，这样就可以忽略电压表在电路中的分流作用。 3）电阻的混联 【教师】通过多媒体展示“常见的电阻混联电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 在实际应用中，经常会遇到既有元件串联又有元件并联的电路，这种电路称为混联电路。常见的电阻混联电路。 电阻混联电路的分析和计算一般可采用等效变换法。对于内部结构不同的两个电路，若它们的外接端子或端口处电压和电流的关系相同（即外特性相同），则称这两个电路是相互等效的。相互等效的两个电路对外电路的作用相同，两者互相代替不影响外电路的工作状态。将复杂电路等效变换为简单电路，可使分析和计算工作变得简单。 2．电感 【教师】通过多媒体展示“电感”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 电感是一种储能元件，它能够将电能转换成磁场能储存起来。电感实际上是由导线绕制而成的电感线圈。当使电感线圈通过电流i时，电感线圈内部将产生磁通，用表示。若电感线圈有N匝，则磁通与电感线圈匝数的乘积称为磁通链，用Ψ表示，即。 当磁通链的参考方向与电流i的参考方向符合右手螺旋定则时，有 （1-9） 式中： ——磁通链，单位为韦（Wb）； L ——电感，单位为亨（H）。 当磁通链发生变化时，电感中产生的感应电压为 （1-10） 式中： ——感应电压，单位为伏（V）。 将式（1-9）代入式（1-10），可得 （1-11） 由式（1-11）可以看出，电感的感应电压与电流的变化率成正比，只有当电流发生变化时，电感才会产生感应电压。在直流电路中，电流不随时间变化，此时，电感相当于短路。 电感在0到t时间内所储存的磁场能为 （1-12） 由式（1-12）可以看出，当电感L一定时，磁场能随电流的增大而增大。 【点拨】 电感的感应电流只能连续变化，不能跃变，即电感的感应电流具有“记忆”过去电压作用效果的特性。 当电路中各电感的磁场彼此隔离且互不干涉时，若将、两个电感串联，则串联后的等效电感为 （1-13） 若将、两个电感并联，则并联后的等效电感为 （1-14） 3．电容 【教师】通过多媒体展示“电容在电路中的图形符号”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 电容也是一种储能元件，它由两块互相靠近的导体（称为极板），以及这两块导体中间夹隔的绝缘介质构成。 电容储存的电荷q与电容两端的电压u成正比，即 （1-15） 式中： ——电容，单位为法（F）。 在国际单位制中，电容的单位为法（F），常用的单位还有微法（μF）和皮法（pF），它们之间的换算关系为 当电容两端的电压u与流入正极板的电流i的参考方向为关联参考方向时，有 （1-16） 由式（1-16）可知，电容中电流i与电压u的变化率成正比，只有当电容两端的电压发生变化时，电容的两极板之间才有电流。在直流电路中，电容两端的电压不发生变化，此时，电容相当于开路。 电容在0到t时间内所储存的电能为 （1-17） 由式（1-17）可以看出，当C一定时，电能随电压的增大而增大。 【点拨】 电容的电压只能连续变化，不能跃变，即电容的电压具有“记忆”过去电流作用效果的特性。 若将若干电容串联，则串联后等效电容的倒数等于各电容的倒数之和，即 若将若干电容并联，则并联后的等效电容等于各电容之和，即 4．电源 1）电压源 电压源是理想电压源的简称，是从实际电源抽象出来的一种模型。电压源两端总能保持一定的电压，且与通过它的电流无关。 由于实际电源存在内阻，因此理想电压源在现实中是不存在的。但是，如果一个电压源在电流变化时，其两端电压的波动不明显，通常可认为它是一个理想电压源。 【教师】通过多媒体展示“电压源模型”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 输出电压较稳定的电源（如发电机、干电池和蓄电池等）通常用电压源来表示。如图1-12（a）所示为理想电压源。 2）电流源 【教师】组织学生观看“电压源与电流源的等效变换”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 电流源是理想电流源的简称，它也是从实际电源抽象出来的一种模型。电流源总能向外输出一定的电流，且与其两端的电压无关。理想电流源在现实中也是不存在的，如果一个电流源在电压变化时，输出电流的波动不明显，通常可认为它是一个理想电流源。 【教师】通过多媒体展示“电流源模型”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 输出电流较稳定的电源（如光电池或晶体管的输出端等）通常用电流源来表示。 【学生】聆听、思考、理解、记录
课堂实践 【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 1）测试线性电阻的伏安特性 如图1-1所示连接电路，调节直流电源的输出电压U，使直流电压表的读数从0 V开始缓慢增大到10 V，将不同值所对应的直流电流表读数分别填入表1-3中，并绘制线性电阻的伏安特性曲线。 图1-1 线性电阻伏安特性的测试电路 表1-3 线性电阻伏安特性的测试结果 （V）0246810（mA）
2）测试白炽灯的伏安特性 将图1-1中的R换成一盏12 V、0.1 A的白炽灯，此时直流电压表的读数为白炽灯的端电压。调节直流电源的输出电压U，使从0 V开始缓慢增大到5 V，将不同值所对应的直流电流表读数分别填入表1-4中，并绘制白炽灯的伏安特性曲线。 表1-4 白炽灯伏安特性的测试结果 （V）00.512345（mA）
【经验传承】 在实施上述任务时，应先估算出所测电压和电流的大小，然后合理选择仪器仪表的量程，勿使仪器仪表超量程工作；同时，不可把仪器仪表的极性接错。 【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——测试电阻的伏安特性” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表
探索活动 【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 几乎在所有的电路中都可以看到电阻的身影，但它们的作用不尽相同。请查阅有关资料，分析电阻的应用情况，讨论电阻在实际电路中可以起到哪些作用。 【学生】查阅、分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结
课堂小结 【教师】简要总结本节课的要点 电路的组成 电路基本物理量的计算和测量方法 【学生】总结回顾知识点
作业布置 【教师】布置课后作业 请根据课堂知识，自己进行电阻测试，并提交测试结果。 【学生】完成课后任务
教学反思

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