资源简介

项目二 搭建手电筒原理电路
学习项目名称 搭建手电筒原理电路
情境应用 手电筒
基础知识点 电路的组成 电路的状态 电路的基本参数（电流、电压、电阻） 全电路欧姆定律 电功与电功率
认知技能点 干电池的认识与检测 小灯珠的认识与检测 按钮的认识与检测 面包板的认识与检测 电路图的识读
操作技能点 面包板搭建手电筒原理电路 万用表测电压、电流和电阻
课程场地 《电工技术基础与技能》课程教室
设计课时 4
一、项目应用
电路就是电流流过的回路，最简单的电路由电源、开关、负载（用电器）和导线四部分组成，如图2-1所示。电源是为电路提供电能的设备，开关是实现手动不频繁接通和分断电路的设备，负载是电路中使用电能的各种设备，如电灯、电动机等，导线是用来流通电流和连接电源、开关和负载的导体，一般外面都包有绝缘层。
二、项目原理
（一）认识电路的工作状态
电路有通路、断路和短路三种的工作状态。
1、通路
电路各部分连接成闭合回路，有电流通过。
2、断路
电路断开，电路中没有电流通过。
3、短路
电源两端或电路中某些被部分被导体直接连接，这是电源输出的电流不经过负载，只经过连接导体直接流回电源，这种状态称为短路状态，简称短路。
（二）电路图
在设计、安装或修理各种设备和用电器的实际电路时，常要使用表示电路连接情况的图，这种用规定的图形符号表示电路连接情况的图，称为电路图，其图形符号要遵守国家标准。
电路图有原理图、方框图、装配图和印刷电路板图等，原理图是表示电路工作原理的图，主要用于设计和分析电路；方框图是用方框和连线表示电路构成情况的图；装配图是为电路装配而绘制的图；印刷电路板图是装配图的一种，在绘制时要考虑元件的实际安装与连接。
（三）认识电路的基本物理量
1、电流
导体中存在着大量的自由电荷，在通常情况下自由电荷处于紊乱的、无规则的热运动状态。当把导体接到电源上形成闭合回路，电源就会在导体内形成电场，自由电荷在电场力的作用下做定向移动，就形成了电流。由于起初人们以为电流是正电荷定向移动形成的，因此规定：正电荷的运动方向为电流的正方向。后来却发现，在金属导体中电流是由自由电子（负电荷）的定向移动形成的，但这与电流正方向的规定不矛盾，根据运动的相对性，如果将自由电子看作不动，则正电荷沿着与电子运动方向相反的方向运动，符合电流正方向的规定。
在电路分析时，电流的实际方向有时不好确定，为了计算的方便，可以先假定一个电流的正方向，这个假定的电流正方向称为参考方向。如果计算结果为正值则电流实际方向与参考方向相同；如果计算结果为负值，则电流的实际方向与参考方向相反。
电流既是一种物理现象，又是一种表示带电粒子定向运动强弱的物理量。电流的大小等于单位时间内流过导体横截面的电荷量，其数学表达式为
式中 I —— 电流，单位为安培，简称安，符号为A；
Q —— 电荷量，单位为库仑，简称库，符号为C；
t —— 时间，单位秒，符号为s。
电流的常用单位还有mA（毫安）和μA（微安）等，它们之间的换算关系是
1A=1000mA ；1mA=1000μA
大小和方向都不随时间变化的电流称为直流电流，简称直流电，如干电池所提供的电流；大小和方向随时间变化的电流称为交流电流，简称交流电，如墙边插座提供的电流。
2、电压
电流与水流有着相似的规律，想要在电路中形成电流，电源两端必须要有电位差（类似于水位差），也就是电源两端之间的电压。电压是衡量电场力做功本领大小的物理量。通电导体两端的电压等于电场力把单位正电荷从高电位端移到低电位端所做的功，其数学表达式为
式中 U —— 导体两端的电压，单位为伏特，简称伏，符号为V；
W —— 电场力所做的功，单位为焦耳，简称焦，符号为J；
Q —— 电荷量，单位为库仑，简称库，符号为C。
电压的常用单位还有kV（千伏）、mV（毫伏）、μV（微伏）等，它们之间的换算关系是
1kV=1000V ；1V=1000mV ；1mV=1000μV
电压的正方向在电源外部是从电源的正极指向负极。直流电源的正极用“+”符号表示；负极用“-”符号表示；或用电压符号加下标来表示，如UAB不仅表示A、B两点间电压值的大小，也表示该电压的方向是从A指向B。
在进行电路分析时，也可以先假定电压的方向，称为电压的参考方向。若计算出的电压值为正值，则表示电压的实际方向与参考方向一致；计算出的电压值为负值，则表示电压的实际方向与参考方向相反。
3、电阻
导体对电流的阻碍作用称为导体的电阻，导体电阻是由它本身的物理条件决定的。金属导体的电阻跟它的长度、横截面积、材料性质和温度有关，在温度不变的情况下，导体的电阻跟导体的长度成正比，跟导体的横截面积成反比，并与导体的材料性质有关，其数学表达式为
式中 R —— 导体的电阻值，单位为欧姆，简称欧，符号为Ω；
ρ —— 导体的电阻率，单位为Ω·m；
l —— 导体的长度，单位为米，符号为m；
S —— 导体的横截面积，单位为平方米，符号m2。
电阻的常用单位还有kΩ（千欧）、MΩ（兆欧）等，其换算关系为
1MΩ=1000kΩ； 1kΩ=1000Ω
4、欧姆定律
1）部分电路欧姆定律
一段不包含电源的电路我们叫部分电路，在部分电路中，流经电阻的电流与加在电阻两端的电压成正比，与电阻值成反比，这就是部分电路欧姆定律。其数学表达式为
或
式中 I —— 流过电阻的电流，单位为A；
U —— 加在导体两端的电压，单位为V；
R —— 导体的电阻值。
以电压为横坐标，电流为纵坐标，可以画出电阻的U-I关系曲线，称为电阻的伏安特性曲线，如图2-3所示。电阻的伏安特性曲线是过原点的直线时，该电阻为线性电阻，如图2-3a所示，其电阻值不随电压、电流的变化而变化。伏安特性曲线不是直线时，该电阻就是非线性电阻，如图2-3b所示，其电阻值会随电压、电流的变化而变化。通常所说的电阻都是指线性电阻。
2）全电路欧姆定律
含有电源的闭合回路叫全电路。实际的电源内部一般都是有电阻的，这个电阻称为电源的内电阻，用r表示。最简单的全电路如图2-3所示，图中E为电源的电动势，R为外电路负载。在全电路中，电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路中的总电阻成反比，这就是全电路欧姆定律。其数学表达式为
或
式中为外电路电阻上的电压，也叫端电压，为电源内阻上的电压。因此，全电路欧姆定律又可以表示为
即电源点电动势等于电路中端电压和电源内阻上的电压之和。
5、电功 电功率
在导体两端加上电压，导体内部就建立了电场。电场力在推动自由电荷做定向移动的过程中要做功，这个功就叫电功。电流在电路上所做的功等于这段电路两端的电压U、电路中的电压I和通电时间t这三者的乘积，其数学表达式为
式中 W —— 电功，单位为焦耳，简称焦，符号为J；
U —— 电路两端的电压，单位为V；
I —— 电路中的电流，单位为A；
t —— 通电的时间，单位为s。
当电路为纯电阻电路时，根据公式（欧姆定律），电功的计算公式还可以写成
或
电流做功的过程实际上就是电能转化为其他形式能的过程。如：电流通过电炉做功，电能转化为热能；电流通过电灯做功，电能转化为光能；电流通过电动机做功，电能转化为机械能。在工程上电功又称为电能，常用kW·h（千瓦时）表示，1kW·h就是通常所说的1度电。它与焦耳之间的换算关系为
1kW·h=1000W×3600s=3.6×106J
在实际工作中，我们不仅要知道电流做功的多少，还要了解电流做功的快慢。电功率可以表示电流做功的快慢，即在单位时间内电流所做的功，其数学表达式为
式中 P —— 电功率，单位为瓦特，简称瓦，符号为W。
当电路为纯电阻电路时，根据（欧姆定律），电功率的计算公式还可以写成
或
电功率的常用单位还有kW（千瓦）、mW（毫瓦），它们之间的换算关系为
1 kW=1000W； 1W=1000mW
为了使电器能安全、可靠的工作，对电器的工作电压和工作电流都有一个规定值，这个规定值称为电器的额定电压和额定电流，额定电压和额定电流的乘积称为电器的额定功率。额定电压、电流、电功率统称为用电器的额定值，一般都会在电器的铭牌上标出。
用电器在实际工作时，所加的电压和电流一般不允许高于或低于额定值。如果所加电压偏高，会影响电器的使用寿命，严重时还可能将用电器烧坏；当所加电压低于额定电压时，用电器的输出功率就达不到额定功率，不能正常工作。用电器在实际电压（不一定使额定电压）下工作时所消耗的功率称为实际功率。
三、项目认知
（一）数字万用表
数字万用表是目前在电工与电子技术中最常用的一种仪表，其外形如图它能够测量电路的电压、电流、电阻等多种参数，如图2-4所示。
1、直流电压的测量方法
将红表笔插入“VΩ”孔，将黑表笔插入“COM”孔，把旋钮转到表盘上“V-”区域比估计值大的量程（表盘上的数值为该档最大量程），接着把表笔接到被测元件的两端，保持接触稳定，数值可以直接从显示屏上读取，若显示为“1.”，表示量程太小，需要加大量程后再测量。如果在数值左边出现“-”，表示此时红表笔接的是负极。
2、直流电流的测量方法
将黑表笔插入“COM”孔，若测量大于200mA的电流，需要将红表笔插入“A-”区域的“20A”孔，并将旋钮转到“20A”档；若测量小于200mA的电流，需要将红表笔插入“mA”孔，再将旋钮转到“A-”区域内合适的量程。接着把表笔串入到被测电路中，保持接触稳定，数值可以直接从显示屏上读取，若显示为“1.”，表示量程太小，需要加大量程后再测量；若在数值左边出现“-”，表示电流是从黑表笔流入万用表。
3、电阻的测量方法
将黑表笔插入“COM”孔，将红表笔插入“VΩ”，把旋钮转到“Ω”区域合适的量程，用两表笔接触被测电阻的两端。测量时注意不要双手同时接触电阻两端。读数时注意挡位单位的变化。
（二）干电池
干电池是电路的电源的一种，其外形如图2-4所示。电源是为电路提供能源的装置，它可以把其他形式的能量转换成电能。干电池是一种伏打电池，是一种以糊状电解液来产生直流电的化学电池（湿电池则为使用液态电解液的化学电池），它们可以使用于很多我们日常使用的电器用品上。
随着科学技术的发展，干电池已经发展成为一个大的家族，到目前为止已经约有100多种。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池、锌-空气电池、锌-氧化汞电池、锌-氧化银电池、锂-锰电池等。干电池在电路图中的电气图形符号如图2-5所示，长的表示正极，短的表示负极。
干电池一般分为：1.2.3.5.7号，其中5号和7号尤为常用，所谓的AA电池就是5号电池，而AAA电池就是7号电池。具体规格见表2-1，以碱性电池为例。
表2-1 干电池的规格
名称 型号 标志 直径（mm） 高度（mm）
1号 D LR20/AM1 34.2 61.5
2号 C LR14/AM2 26.2 50.0
5号 AA LR6/AM3 14.5 50.5
7号 AAA LR03/AM4 10.5 44.5
8号 AA/2 LR1/AM5 11.0 30.0
9号 AAAA LR61/AM6 8.0 39.5
小9号 AAAA/2 LR61/AM6 8.0 28.0
（三）小灯珠
小灯珠是电路中的负载，也叫用电器。负载是指将电能转变成其他形式能量的装置。小灯珠是一种钨丝灯泡，由玻璃、金属、绝缘材料等制成，如图2-7所示。可作为手电筒的光源，配电箱的指示灯等。
小灯珠的型号有很多种，本项目选用的是额定电压为2.5V，额定电流为0.3A的手电筒用小灯珠，可以用数字万用表200Ω电阻档测得小灯珠的电阻在8.5Ω左右。
（四）按钮开关
按钮开关是指利用按钮推动传动机构，使动触点与静触点接通或断开并实现电路换接的开关，是一种电路的控制装置。按钮开关的结构种类很多，一般是由按钮帽、复位弹簧、静触头、动触头和外壳等组成，通常做成复合式，有一对常闭触头和常开触头，根据其复位方式可分为自复位式和自持式，自复位式按钮在松开后会自动恢复原来状态，自持式按钮在按下后即可自动保持闭合位置，需要再按一下才会恢复到原来状态。其外形和电气图形符号如图2-8所示。
使用数字万用表蜂鸣档或电阻档可以检测按钮开关的常闭触头和常开触头。在按钮开关按下前测量到蜂鸣档发声或电阻档阻值为零，按下按钮蜂鸣档不发声或电阻档阻值为无穷大（即液晶显示屏最左端为1），则表示此时与万用表表笔接触的一对管脚为常闭触头；在按钮开关按下后按钮蜂鸣档不发声或电阻档阻值为无穷大，按下按钮蜂鸣档发声或电阻档阻值为零，则表示此时与万用表表笔接触的一对管脚为常开触头。
（五）导线
导线是传导电能的载体，通常芯数少，线径小，结构简单的叫电线，芯数多，线径大，结构复杂的叫电缆。电线和电缆一般都由导体、绝缘层、屏蔽层、保护层四部分组成。常见电线电缆型号和使用环境见表2-2。
表2-2 常见电线电缆型号和使用环境
名称 型号 使用环境
铜芯聚氯乙烯绝缘电线 BV 长期允许温度65℃，最低温度-15℃，工作电压交流500V，直流1000V，固定敷设于室内、外，可明敷也可暗敷。
铜芯橡皮绝缘线 BX 最高使用温度65℃，敷于室内。
聚氯乙烯绝缘单芯软线 RV 最高使用温度65℃，最低使用温度-15℃，工作电压交流250V，直流500V，用作仪器和设备的内部接线
铜芯聚氯乙烯绝缘和护套软电线 RVV 允许长期工作温度105℃，工作电压交流500V，直流1000V，用于潮湿，机械防护要求高，经常移动和弯曲的场合。
（六）面包板
面包板是一种正面有很多小插孔，板背面有金属条，将元件插入孔中时能够与金属条接触，从而完成电路的无焊接实验的热固性酚醛树脂板，如图2-9所示。由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练。板上每5个竖着的孔用一条金属条连接。板子两侧各有一排横着的插孔，虽然也是5个孔一组，但是这一整排是15或20个孔由一条金属条连接（即这些孔之间都是导通的），这排插孔一般用于连接电源的正负极。
四、项目实施
（一）项目概述
本项目的任务是使用干电池、导线、开关和小灯珠搭接一个基本手电筒电路，如图2-10所示，根据要求测出相应的电压、电流，并计算出电路消耗的功率。
（二）电路元件布局
1、根据表2-3核对元器件清单
表2-3 元器件清单
序号 名称 规格 数量
1 干电池 AA，5号，1.5V 2节
2 按钮 自持式 1个
3 电池盒 2节装 1个
4 小灯珠 2.5V,0.3A 1个
5 排针 两联 1个
6 杜邦线 公头 3根
7 面包板 SYB-120 1块
2、电路元件布局图
电路元件布局如图2-11所示。
3、搭建并调试电路
在仔细核对并检测元件清单后，根据图2-11的电路元件布局图搭建电路，测出小灯珠两端的电压和流经小灯珠的电流，然后计算出小灯珠的功率和1分钟内小灯珠上消耗的电能。
（三）任务执行
在所给的参考时间内，按表2-4 项目任务执行表中的执行步骤，对照执行标准完成执行内容中的各项任务，任务完成后在执行结果中打√，如有疑问请立即咨询指导老师。
表2-4项目任务执行表
序号 执行步骤 执行内容 执行标准 参考时间 执行结果
1 核对元件清单并检测 将两节干电池按正确的方向放入电池盒后用数字万用表20V直流档测量电池盒引出线两端电压 电压应在2.5-3V之间 5分钟
用数字万用表蜂鸣档找出自持式按钮常开触点的两个引脚 按下按钮蜂鸣器响，再按一下后按钮弹起蜂鸣器不响
用数字万用表200Ω电阻档测量小灯珠电阻 小灯珠电阻应在8.5Ω左右，实际测得小灯珠电阻为 Ω。
2 搭建电路 将小灯珠引线一头插在X15号孔，一头插在A15孔 按图2-11搭建基本手电筒电路 10分钟
将两联排针C15和C16中后套上短路帽
将按钮常开触点的两个引脚插入H15和H16
用杜邦线连接E16和F15
用杜邦线连接G16和Y15
将电池盒正极引线插入X1，负极引线插入Y1
3 电路参数的测试与计算 按下按钮 小灯珠点亮 25分钟
在小灯珠点亮情况下，用数字万用表20V直流电压档测量小灯珠两端电压 小灯珠两端电压为U= 2.5V，实测值为U= V
拔下排针的短路帽，将数字万用表红表笔插入20A级电流测量孔，红表笔接C15排针，黑表笔接C16排针，按下按钮小灯珠点亮 测得流过小灯珠电流为I= 0.21A，实测值为I= A
计算小灯珠的电功率 小灯珠实际功率为P= W
计算小灯珠的1分钟消耗的电能 小灯珠实际1分钟消耗电能为W= J
总计：40分钟
五、项目评价
根据表2-5完成任务检测。
表2-5 任务检测标准
序号 检测内容 执行标准 自评 教师评
1 元件参数测试 1.元件参数测试完全正确 -A
2.部分参数测试正确 -B
3.不会参数测试 -C
2 电路参数测量与计算 1.电路参数测量与计算正确 -A
2.部分电路参数测量与计算正确 -B
3.不会电路参数测试与计算 -C
3 安全文明 1.工具摆放整齐，仪表使用规范，无安全事故 -A
2.工具不齐，但无安全事故 -B
3.出现安全事故或损坏仪表 -C
六、项目拓展
（一）干电池的选用
常用的干电池挑选方法：
1、注意查看生产日期，储存期越短越好；用万用表DC500 m A 挡测短路电流，此法虽简单但不准确，也不安全，实质是从瞬间短路电流判断其内阻大小，内阻越小越好。
2、采用两次测量电压法既安全又可靠，将两只2.5 V 小电珠并联后用导线引出两个夹子，先测出电池的开路电压，再将小电珠夹子夹在表笔上，再测出由池带负载后的电压,比较两次电压的差越小越好。
这个方法判别6～9 V 叠层电池更实用，此时小电珠应串连。除可充电池外其他一次性电池均可行。
（二）发光二极管
本项目负载也可以选用发光二极管，简称为LED，如图2-12所示。发光二极管属于半导体器件，由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。与小灯珠相比发光二极管具有单向导电性，只有当电源正极与LED正极相连，电源负极接LED负极时才能发光。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。
七、项目练习
一、填空题
1．电路是由 、 、 和 等组成的闭合回路。
2．电路通常有 、 、 三种状态。
3．电荷的 移动形成电流，它的大小是指 内通过导体横截面的 。
4．通电导体两端的电压等于电场力把单位正电荷从 移到
所做的 。
5．在部分电路中，流经电阻的电流与加在电阻两端的 成正比，与电阻值成 ，这就是部分电路欧姆定律。
二、判断题
（ ）1.自由电子的运动方向为电流的正方向。
（ ）2.导体的电阻与它的长度成正比。
（ ）3.在电路中线性导体的电阻与电压成正比，与电流成反比。
（ ）4.电流做功的过程实际上就是电能转化为其他形式能的过程。
（ ）5.电功率可以表示做功的快慢。

展开更多......

收起↑