《電工基礎(chǔ)》教案25、26 電路的暫態(tài)分析 RL串聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)、RC串聯(lián)電路的零狀態(tài)響應(yīng)

《電工基礎(chǔ)》教學(xué)方案教師：序號(hào)：25授課時(shí)間授課班級(jí)上課地點(diǎn)教學(xué)項(xiàng)目（任務(wù)）名稱RL串聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)課時(shí)數(shù)2教學(xué)內(nèi)容主要知識(shí)點(diǎn)RL電路零輸入響應(yīng)的概念；RL電路放電過(guò)程的定量分析重點(diǎn)、難點(diǎn)理解零輸入響應(yīng)電路特點(diǎn)；理解零輸入響應(yīng)曲線教學(xué)目標(biāo)專業(yè)能力使學(xué)生掌握RL電路零輸入響應(yīng)基本概念、分析電路的零輸入響應(yīng)方法能力掌握RL電路零輸入響應(yīng)的分析方法社會(huì)能力團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，分析并解決問(wèn)題的能力學(xué)生情況分析授課對(duì)象一般為電子信息工程技術(shù)專業(yè)普專大一新生教學(xué)環(huán)境要求教室、實(shí)訓(xùn)室教學(xué)方法教學(xué)做一體化教學(xué)手段多媒體演示結(jié)合實(shí)物展示，學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容學(xué)生活動(dòng)時(shí)間分配(min)任務(wù)描述與課程導(dǎo)入對(duì)于外加激勵(lì)為零，僅由動(dòng)態(tài)元件初始儲(chǔ)能使電路產(chǎn)生電流、電壓現(xiàn)象，我們稱為電路的零輸入響應(yīng)，這里的“零”輸入是指沒(méi)有外部輸入的意思。本知識(shí)點(diǎn)是要對(duì)RL電路的零輸入響應(yīng)進(jìn)行定量分析，并分析時(shí)間常數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響。結(jié)合電路圖，正確理解RL電路的零輸入響應(yīng)的概念。基于歐姆定律與基爾霍夫定律，對(duì)RL電路的放電過(guò)程進(jìn)行定量分析。理解零輸入響應(yīng)電路特點(diǎn)；理解零輸入響應(yīng)曲線；了解時(shí)間常數(shù)對(duì)電路響應(yīng)的影響。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，回顧已學(xué)內(nèi)容5知識(shí)準(zhǔn)備4.6.1RL串聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)圖4-6-1RL零輸入響應(yīng)如圖4-6-1所示電路，開(kāi)關(guān)S原先置于1，電路處于穩(wěn)態(tài)，電感上流有電流，所儲(chǔ)磁場(chǎng)能量為，在時(shí)S置于2，電源被斷開(kāi)，電感與電阻R構(gòu)成回路，電感開(kāi)始對(duì)電阻放電，這一過(guò)程也是一個(gè)零輸入響應(yīng)過(guò)程。我們現(xiàn)在就來(lái)分析換路后瞬間到電路進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)這段時(shí)間內(nèi)電感、電阻兩端的電壓和及電流的變化。1．過(guò)程分析在換路瞬間，因?yàn)殡姼猩想娏鞑荒芡蛔?，依然保持為。此時(shí)電阻兩端的電壓為由KVL可知，此時(shí)電感L兩端的電壓將從零突變?yōu)椤Q路后，隨著電阻不斷地消耗能量，電流也不斷減小，同時(shí)電阻電壓與電感電壓也逐漸降低，直到全部降為零，過(guò)渡過(guò)程結(jié)束，電路進(jìn)入一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，電感線圈原先所儲(chǔ)存的能量逐漸地被電阻以熱能的形式所消耗。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題35知識(shí)準(zhǔn)備2．定量分析由圖4-6-1所示電路，我們可以得到換路后電路的KVL方程為因?yàn)?，并結(jié)合初始條件，可得（4-6-1）電阻與電感上電壓分別為（4-6-2）（4-6-3）由公式（4-6-1）～（4-6-3）可知，換路后的電流從初始值開(kāi)始隨時(shí)間按指數(shù)函數(shù)的規(guī)律衰減，電阻和電感兩端電壓和也分別從各自的初始值和按同一指數(shù)規(guī)律衰減。圖4-6-2給出了換路后元件電壓和電路電流隨時(shí)間變化的曲線。圖4-6-2RL零輸入響應(yīng)曲線跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題35通過(guò)例題講解RL電路零輸入響應(yīng)分析例4.6.1在圖4-6-3所示電路中，一實(shí)際電感線圈（圖中虛線部分）和電阻并聯(lián)后與直流電源接通。已知，，電感線圈的電感，內(nèi)阻，電路處于穩(wěn)態(tài)。試求開(kāi)關(guān)S打開(kāi)后，電流的變化規(guī)律和電感線圈兩端電壓的初始值。圖4-6-3例4.6.1圖解：以開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)刻為計(jì)時(shí)起點(diǎn)。電路的時(shí)間常數(shù)為過(guò)渡過(guò)程的初始電流為電流的變化規(guī)律為電感線圈兩端的初始電壓為跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題20教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容學(xué)生活動(dòng)時(shí)間分配作業(yè)在看懂例題，深刻理解RL零輸入響應(yīng)基礎(chǔ)上，選做習(xí)題庫(kù)中跟RL零輸入響應(yīng)有關(guān)習(xí)題教學(xué)參考資料、網(wǎng)站《電路分析基礎(chǔ)》趙偉光北京：清華大學(xué)出版社教學(xué)后記（包括自我評(píng)價(jià)與學(xué)生評(píng)價(jià)，教學(xué)過(guò)程的全面分析）學(xué)生們基礎(chǔ)有差別，注意個(gè)別指導(dǎo)，注重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，多與學(xué)生互動(dòng)，需要加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和解決實(shí)際問(wèn)題的綜合應(yīng)用能力。（注：教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)部分可加頁(yè)；表格中的單元格可合并、拆分）《電工基礎(chǔ)》教學(xué)方案教師：序號(hào)：26授課時(shí)間授課班級(jí)上課地點(diǎn)教學(xué)項(xiàng)目（任務(wù)）名稱RC串聯(lián)電路的零狀態(tài)響應(yīng)課時(shí)數(shù)2教學(xué)內(nèi)容主要知識(shí)點(diǎn)RC電路零狀態(tài)響應(yīng)的概念；RC電路充電過(guò)程的定量分析重點(diǎn)、難點(diǎn)理解零狀態(tài)響應(yīng)電路特點(diǎn)；理解零狀態(tài)響應(yīng)曲線教學(xué)目標(biāo)專業(yè)能力使學(xué)生掌握RC電路零狀態(tài)響應(yīng)基本概念、分析電路的零狀態(tài)響應(yīng)方法能力掌握RC電路零狀態(tài)響應(yīng)的分析方法社會(huì)能力團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，分析并解決問(wèn)題的能力學(xué)生情況分析授課對(duì)象一般為電子信息工程技術(shù)專業(yè)普專大一新生教學(xué)環(huán)境要求教室、實(shí)訓(xùn)室教學(xué)方法教學(xué)做一體化教學(xué)手段多媒體演示結(jié)合實(shí)物展示，學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容學(xué)生活動(dòng)時(shí)間分配(min)任務(wù)描述與課程導(dǎo)入動(dòng)態(tài)電路由儲(chǔ)能元件組成如果動(dòng)態(tài)元件在換路前沒(méi)有儲(chǔ)能，那么換路后瞬間電容兩端的電壓為零，電感上的電流為零，我們稱電路的這種狀態(tài)為零初始狀態(tài)。一個(gè)零初始狀態(tài)的電路，如果在換路后受到（直流）激勵(lì)作用而產(chǎn)生的電流、電壓，則稱為電路的零狀態(tài)（充電）響應(yīng)。本知識(shí)點(diǎn)是要結(jié)合例題，對(duì)RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)進(jìn)行定量分析，并分析時(shí)間常數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，回顧已學(xué)內(nèi)容5知識(shí)準(zhǔn)備如圖4-10所示，電容不帶電（電壓為零），電路處于穩(wěn)態(tài)，在時(shí)，將開(kāi)關(guān)S合上即發(fā)生換路，換路后瞬間到電路進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)這段時(shí)間內(nèi)，電容、電阻兩端的電壓uR和uC有怎樣的變化？為什么？圖4-10RC零狀態(tài)響應(yīng)（充電）4.3.1RC串聯(lián)電路的零狀態(tài)響應(yīng)1．過(guò)程分析在換路瞬間，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔儯３譃?，電容相?dāng)于短路，電源電壓全部加在電阻上，即R兩端的電壓將從零突變?yōu)?，相?yīng)地，電路中的電流也由零突變?yōu)?。換路后，電容開(kāi)始充電，兩極板上積聚的電荷越來(lái)越多，其兩端電壓不斷增大，同時(shí)電阻電壓卻逐漸減小，電流也不斷地減小，直到電容充電結(jié)束，電容兩端電壓等于，而電阻上的電壓和電路中的電流全部降為零，過(guò)渡過(guò)程結(jié)束，電路進(jìn)入一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，電源提供的能量逐漸以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存于電容器中。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題35知識(shí)準(zhǔn)備2．定量分析由圖4-10所示電路，我們可以寫出換路后電路的KVL方程為由于，并結(jié)合初始條件，可得(4-3-1)(4-3-2)(4-3-3)由公式（4-3-1）～（4-3-2可知，換路后電容兩端電壓由兩部分組成，第一項(xiàng)（）是電容充電完畢后的電壓值，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)值，我們稱之為“穩(wěn)態(tài)分量”；第二項(xiàng)（）隨時(shí)間按指數(shù)函數(shù)的規(guī)律衰減，最后為零，稱之為“暫態(tài)分量”。在整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中，可看作是穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量疊加而成。電阻兩端電壓和電路中的電流的最終穩(wěn)態(tài)值為零，只有動(dòng)態(tài)分量，也隨時(shí)間按同一指數(shù)規(guī)律衰減。圖4-11給出了換路后電路中各元件兩端電壓和電路中電流隨時(shí)間變化的曲線。圖4-11RC電路零狀態(tài)響應(yīng)曲線電路中各變量的暫態(tài)分量衰減的速度取決于RC。如同零輸入響應(yīng)，我們把τ=RC稱為電路的時(shí)間常數(shù)。同樣，時(shí)間常數(shù)τ越大，過(guò)渡過(guò)程持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題35通過(guò)例題講解RC電路零狀態(tài)響應(yīng)分析例4.3.1在圖4-10所示電路中，已知U=220V，C=1μF，R=200Ω，電容原先未儲(chǔ)能，在t=0時(shí)開(kāi)關(guān)S合上。試求S閉合后1ms時(shí)的和電容上的電壓uC。解：以開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)刻為計(jì)時(shí)起點(diǎn)。電路的時(shí)間常數(shù)當(dāng)時(shí)，有跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題20教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容學(xué)生活動(dòng)時(shí)間分配作業(yè)在看懂例題，深刻理解RC零狀態(tài)響應(yīng)基礎(chǔ)上，選做習(xí)題庫(kù)中跟RC零狀態(tài)響應(yīng)