大学物理电路分析学习教案

会计学1大学物理电路大学物理电路(dinl)分析分析第一页，共70页。2第1页/共70页第二页，共70页。320%30%期终期终70%（闭卷考试）（闭卷考试）第2页/共70页第三页，共70页。4第第1 1章章 电路电路(dinl)(dinl)模型和电模型和电路路(dinl)(dinl)定律定律电路和电路模型电路和电路模型1.1电阻元件电阻元件1.5电流和电压的参考方电流和电压的参考方向向1.2电压源和电流源电压源和电流源1.6电功率和能量电功率和能量1.3受控电源受控电源1.7电路元件电路元件1.4基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.8首 页本章重点本章重点第3页/共70页第四页，共70页。51.1.电压电压(diny)(diny)、电流的参考、电流的参考方向方向3.3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律(dngl)(dngl)l 重点(zhngdin)：2.2.电阻元件和电源元件的特性电阻元件和电源元件的特性返 回第4页/共70页第五页，共70页。61.1 1.1 电路电路(dinl)(dinl)和电路和电路(dinl)(dinl)模型模型1.实际(shj)电路功能功能(gngnng)a a 能量的传输、分配与转换；能量的传输、分配与转换；b b 信息的传递、控制与处理。信息的传递、控制与处理。建立在同一电路理论基础上。建立在同一电路理论基础上。由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。共性共性第5页/共70页第六页，共70页。7 反映实际电路部件的主要电磁反映实际电路部件的主要电磁 性质的理想电路元件性质的理想电路元件(yunjin)(yunjin)及其组合。及其组合。2.2.电路电路(dinl)(dinl)模型模型10BASE-T wall plate导线导线电池电池开关开关灯泡灯泡l理想理想(lxing)(lxing)电电路元件路元件有某种确定的电磁性能的理想有某种确定的电磁性能的理想元件。元件。l电路模型电路模型电路图sRLRsU第6页/共70页第七页，共70页。85种基本种基本(jbn)的理想电路的理想电路元件：元件：电阻元件电阻元件(yunjin)：表示消耗电能的：表示消耗电能的元件元件(yunjin)电感元件：表示产生磁场电感元件：表示产生磁场(cchng)，储存磁场，储存磁场(cchng)能量的元件能量的元件电容元件：电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件表示产生电场，储存电场能量的元件电压源和电流源：电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。电能的元件。5种基本理想电路元件有三个特征：种基本理想电路元件有三个特征：（a a）只有两个端子；只有两个端子；（b b）可以用电压或电流按数学方式描述；可以用电压或电流按数学方式描述；（c c）不能被分解为其他元件。不能被分解为其他元件。注意第7页/共70页第八页，共70页。9 具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一在一定条件下可用同一电路模型定条件下可用同一电路模型(mxng)(mxng)表示；表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型模型(mxng)(mxng)可以有不同的形式。可以有不同的形式。例例电感线圈的电路电感线圈的电路(dinl)模型模型注意第8页/共70页第九页，共70页。101.2 电流和电压的参考(cnko)方向 电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析、能量、电功率等。在线性电路分析(fnx)(fnx)中人们中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。主要关心的物理量是电流、电压和功率。1.电流的参考(cnko)方向l电流电流l电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动带电粒子有规则的定向运动单位时间内通过导体横截面的电荷量单位时间内通过导体横截面的电荷量第9页/共70页第十页，共70页。11l方向方向(fngxi(fngxing)ng)规定正电荷的运动方向规定正电荷的运动方向(fngxing)为电流为电流的实际方向的实际方向(fngxing)l单位单位(dnw(dnwi)i)1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、A元件元件(导线导线)中电流流动的实际方向只有两种可能中电流流动的实际方向只有两种可能:对于复杂电路或电路中的电流随时间变化时，对于复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断。电流的实际方向往往很难事先判断。问题实际方向实际方向AB实际方向实际方向AB第10页/共70页第十一页，共70页。12l参考参考(cnko)方方向向 大小大小方向方向(正负）正负）电流电流(代数量代数量)任意假定一个正电荷运动任意假定一个正电荷运动(yndng)的方向即为电流的参考的方向即为电流的参考方向。方向。i 0i 0参考方向参考方向U+参考方向参考方向U+0 吸收正功率吸收正功率 (实际吸收实际吸收)P0 发出正功率发出正功率 (实际发出实际发出)P0 发出负功率发出负功率 (实际吸收实际吸收)l u,i 取非取非关联参考方向关联参考方向+-iu+-iu第21页/共70页第二十二页，共70页。23例例 求图示电路中各求图示电路中各方框所代表的元件方框所代表的元件(yunjin)吸收或产生吸收或产生的功率。的功率。已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A 564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1第22页/共70页第二十三页，共70页。24解解对一完整的电路，满足对一完整的电路，满足(mnz)：发出的功率吸收的：发出的功率吸收的功率功率564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1注意第23页/共70页第二十四页，共70页。251.4 1.4 电路电路(dinl)(dinl)元件元件是电路中最基本的组成是电路中最基本的组成(z(z chn)chn)单元。单元。1.电路(dinl)元件5种基本的理想电路元件：种基本的理想电路元件：电阻元件：电阻元件：表示消耗电能的元件表示消耗电能的元件电感元件：电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件表示产生电场，储存电场能量的元件电压源和电流源：电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。电能的元件。注意 如果表征元件端子特性的数学关系式是如果表征元件端子特性的数学关系式是线性关系，该元件称为线性元件，否则称为线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。非线性元件。第24页/共70页第二十五页，共70页。262.集总参数(cnsh)电路由集总元件构成由集总元件构成(guchng)的电路的电路集总元件集总元件(yunjin)假定发生的电磁过程都集中在元件内假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。部进行。集总条件 集总参数电路中集总参数电路中u、i 可以是时间的函数可以是时间的函数，但与空间坐标无关。因此，任何时刻，流入，但与空间坐标无关。因此，任何时刻，流入两端元件一个端子的电流等于从另一端子流出两端元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流；端子间的电压为单值量。的电流；端子间的电压为单值量。注意第25页/共70页第二十六页，共70页。27例例iiz集总参数(cnsh)电路)t(u+-)t(iLCR两线传输线的等效电路两线传输线的等效电路当两线传输线的长度当两线传输线的长度 l 与电磁波的波长与电磁波的波长(bchng)满足：满足：第26页/共70页第二十七页，共70页。28iiz),(tzu+-),(tzi)tz,u(z-),(tzzizL 0zC 0zR 0zR 0zL 0zC 0分布参数(cnsh)电路当两线传输线的长度当两线传输线的长度(chngd)l 与电磁波的波长满与电磁波的波长满足：足：第27页/共70页第二十八页，共70页。291.5 1.5 电阻电阻(dinz)(dinz)元件元件2.线 性 时 不 变 电 阻(dinz)元件l 电路电路(dinl)(dinl)符号符号R电阻元电阻元件件对电流呈现阻力的元件。其特性可对电流呈现阻力的元件。其特性可用用ui平面上的一条曲线来描述：平面上的一条曲线来描述：iu任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。1.定义伏安特性0第28页/共70页第二十九页，共70页。30l ui 关系(gun x)R 称为电阻(dinz)，单位：(Ohm)满足(mnz)欧姆定律l 单位单位G 称为电导，单位：S(Siemens)u、i 取关联参考方向伏安特性为一条过原点的直线ui0Rui+第29页/共70页第三十页，共70页。31 如电阻上的电压与电流参考如电阻上的电压与电流参考(cnko)(cnko)方方向非关联，公式中应冠以负号；向非关联，公式中应冠以负号；说明线性电阻是无记忆说明线性电阻是无记忆(jy)(jy)、双向、双向性的元件。性的元件。欧姆定律欧姆定律 只适用于线性电阻只适用于线性电阻(dinz)(R 为为常数）；常数）；则欧姆定律写为则欧姆定律写为u R i i G u公式和参考方向必须配套使用！注意Rui-+第30页/共70页第三十一页，共70页。323.功率(gngl)和能量电阻元件在任何时刻总是电阻元件在任何时刻总是(zn sh)消耗功率的。消耗功率的。p u i(R i)i i2 R -u2/Rp u i i2R u2/Rl 功率功率(gngl)Rui+-表明Rui-+第31页/共70页第三十二页，共70页。33ui从从 t0 t0 到到 t t 电阻消耗电阻消耗(xioho)(xioho)的能量：的能量：4.电阻的开路(kil)与短路l 能量能量(nngling)l 短路短路l 开路开路uiRiu+u+i00第32页/共70页第三十三页，共70页。34实际实际(shj)电电阻器阻器第33页/共70页第三十四页，共70页。35 1.6 电压电压(diny)源和电流源源和电流源l电路电路(dinl)(dinl)符符号号1.1.理想理想(lxing)(lxing)电压电压源源l定义定义iSu+_其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。第34页/共70页第三十五页，共70页。36 电源两端电压由电源本身电源两端电压由电源本身(bnshn)(bnshn)决定，与外电决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。路无关；与流经它的电流方向、大小无关。通过电压通过电压(diny)(diny)源的电流由源的电流由电源及外电路共同决定。电源及外电路共同决定。l理想电压理想电压(diny)(diny)源的电压源的电压(diny)(diny)、电流关系、电流关系uiSu直流电压源的伏安关系例例Ri-+Su外电路电压源不能短路！电压源不能短路！0第35页/共70页第三十六页，共70页。37l电压电压(diny)源源的功率的功率 电压电压(diny)(diny)、电流参考方向非、电流参考方向非关联；关联；+_iu+_Su 电流（正电荷电流（正电荷 ）由低电位向高）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功，电源电位移动，外力克服电场力作功，电源(dinyun)(dinyun)发出功率。发出功率。发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用物理意义：+_iu+_Su 电压、电流参考方向关联；电压、电流参考方向关联；物理意义：电场力做功，电源吸收功率电场力做功，电源吸收功率 iuPS吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载第36页/共70页第三十七页，共70页。38例例计算图示电路各元件计算图示电路各元件(yunjin)的的功率功率解解发出发出(fch)吸收吸收(xshu)吸收吸收满足满足：P（发发）P（吸吸）5Ri+_Ru+_10V5V-+第37页/共70页第三十八页，共70页。39其输出电流总能保持其输出电流总能保持(boch)(boch)定值定值或一定的或一定的时间函数，其值与它的两端电压时间函数，其值与它的两端电压u u 无关的元件叫理想电流源。无关的元件叫理想电流源。l 电路电路(dinl)(dinl)符符号号2.2.理想理想(lxing)(lxing)电电流源流源l 定义定义uSi+_l 理想电流源的电压、电流关系理想电流源的电压、电流关系 电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关。；与它两端电压方向、大小无关。第38页/共70页第三十九页，共70页。40 电流源两端的电压由电源及外电路共同电流源两端的电压由电源及外电路共同(gngtng)决定。决定。uiSi直流电流源的伏安(f n)关系0例例Ru-+Si外电路电流电流(dinli)源不能开路源不能开路！第39页/共70页第四十页，共70页。41 可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线流与负载无关；光电池在一定光线(gungxin)照照射下光电子被激发产生一定值的电流等。射下光电子被激发产生一定值的电流等。实际实际(shj)电流源的产生电流源的产生：l 电流电流(dinli)源的源的功率功率u+_Si 电压、电流的参考方向非关联；电压、电流的参考方向非关联；发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用SuiP 电压、电流的参考方向关联电压、电流的参考方向关联；u+_Si吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载SuiP 第40页/共70页第四十一页，共70页。42例例计算计算(j sun)图示电路各元件的功图示电路各元件的功率率解解发出发出(fch)发出发出(fch)满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）u2Ai+_5V-+第41页/共70页第四十二页，共70页。43实际实际(shj)电电源源干电池钮扣电池1.1.干电池和钮扣电池（化学干电池和钮扣电池（化学(huxu)(huxu)电源）电源）干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小(dxio)决定储存的能量，化学反应不可逆。钮扣电池电动势1.35V，用固体化学材料，化学反应不可逆。第42页/共70页第四十三页，共70页。44 氢氧燃料电池示意图2.2.燃料电池（化学燃料电池（化学(huxu)(huxu)电源）电源）电池电动势电池电动势1.23V1.23V。以氢、氧作为燃料。约。以氢、氧作为燃料。约40-45%40-45%的化学能转的化学能转变为电能。实验变为电能。实验(shyn)(shyn)阶段加燃料可继续工作。阶段加燃料可继续工作。第43页/共70页第四十四页，共70页。453.3.太阳能电池太阳能电池(dinch)(dinch)（光能电（光能电源）源）一块一块(y kui)(y kui)太阳能电池电动势太阳能电池电动势0.6V0.6V。太阳光照射到。太阳光照射到P-NP-N结上，形成一个从结上，形成一个从N N区流向区流向P P区的电流。约区的电流。约 11%11%的光能转变为电的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。能，故常用太阳能电池板。一个(y)50cm2太阳能电池的电动势0.6V,电流0.1A 太阳能电池示意图太阳能电池板太阳能电池板第44页/共70页第四十五页，共70页。46蓄电池示意图4.4.蓄电池（化学蓄电池（化学(huxu)(huxu)电电源）源）电池电池(dinch)(dinch)电动势电动势2V2V。使用时，电池。使用时，电池(dinch)(dinch)放电，放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于当电解液浓度小于一定值时，电动势低于2V2V，常要充电，化学，常要充电，化学反应可逆。反应可逆。第45页/共70页第四十六页，共70页。47直流稳压直流稳压(wn y)源源变频器变频器频率计频率计函数函数(hnsh)发生器发生器第46页/共70页第四十七页，共70页。48发电机组发电机组第47页/共70页第四十八页，共70页。49草原上的风力草原上的风力(fngl)发发电电第48页/共70页第四十九页，共70页。501.7 1.7 受控电源受控电源(dinyun)(dinyun)(非独立非独立源源)l 电路电路(dinl)(dinl)符号符号+受控电压受控电压(diny)源源1.1.定义定义受控电流源受控电流源 电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源，称受控源。第49页/共70页第五十页，共70页。51 电流电流(dinli)(dinli)控制的电流控制的电流(dinli)(dinli)源源(CCCS)(CCCS):电流电流(dinli)(dinli)放大倍数放大倍数 根据控制根据控制(kngzh)(kngzh)量和被控制量和被控制(kngzh)(kngzh)量是电压量是电压u u 或电流或电流i i，受控源，受控源可分四种类型：当被控制可分四种类型：当被控制(kngzh)(kngzh)量是电压时，用受量是电压时，用受控电压控电压源表示；当被控制源表示；当被控制(kngzh)(kngzh)量是电流时，用受控电流量是电流时，用受控电流源表示。源表示。2.2.分类分类四端元件输出：受控部分输入：控制部分 i1+_u2i2_u1i1+第50页/共70页第五十一页，共70页。52g:转移(zhuny)电导 电压电压(diny)(diny)控制的电流源控制的电流源(VCCS)VCCS)电压电压(diny)(diny)控制的电压控制的电压(diny)(diny)源源(VCVS)(VCVS):电压放大倍数电压放大倍数 gu1+_u2i2_u1i1+i1u1+_u2i2_u1+_第51页/共70页第五十二页，共70页。53 电流控制电流控制(kngzh)(kngzh)的电压源的电压源(CCVS)CCVS)r:转移(zhuny)电阻 例例bici电路(dinl)模型ibicibri1+_u2i2_u1i1+_第52页/共70页第五十三页，共70页。543.3.受控源与独立受控源与独立(dl)(dl)源的比较源的比较 独立源电压独立源电压(diny)(diny)(或电流或电流)由电源本身决定由电源本身决定，与电路中其它电压，与电路中其它电压(diny)(diny)、电流无关，而、电流无关，而受控源电压受控源电压(diny)(diny)(或电流或电流)由控制量决定。由控制量决定。独立源在电路中起独立源在电路中起“激励激励”作用，在电路中产作用，在电路中产生电压、电流，而受控源是反映生电压、电流，而受控源是反映(fnyng)(fnyng)电电路中某处的电压或电流对另一处的电压或电流路中某处的电压或电流对另一处的电压或电流的控制关系，在电路中不能作为的控制关系，在电路中不能作为“激励激励”。第53页/共70页第五十四页，共70页。55例例求：电压(diny)u2解解5i1+_u2_i1+-3u1=6V第54页/共70页第五十五页，共70页。561.8 1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(dngl)(dngl)基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律 （KCLKCL）和基尔霍夫电压定律）和基尔霍夫电压定律(KVL)(KVL)。它反映了电。它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，是路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，是分析集总参数分析集总参数(cnsh)(cnsh)电路的基本定律。基尔霍电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。第55页/共70页第五十六页，共70页。571.1.几个几个(j(j)名词名词电路电路(dinl)(dinl)中通过同一电流的中通过同一电流的分支。分支。元件的连接点称为元件的连接点称为(chn(chn wi)wi)结点。结点。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3 支路支路电路中每一个两端元件就叫一条电路中每一个两端元件就叫一条支路。支路。i3i2i1 结点结点b=5或三条以上支路的连接点称为结或三条以上支路的连接点称为结点。点。n=2注意 两种定两种定义分别用在不同义分别用在不同的场合。的场合。第56页/共70页第五十七页，共70页。58由支路组成由支路组成(z chn)(z chn)的闭的闭合路径。合路径。两结点间的一条两结点间的一条(y tio)通路。通路。由支路构成由支路构成对平面电路对平面电路(dinl)，其内部，其内部不含任何支路的回路称网孔。不含任何支路的回路称网孔。l=3123 路径路径 回路回路 网孔网孔网孔是回路，但回路不一定是网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。+_R1uS1+_uS2R2R3注意第57页/共70页第五十八页，共70页。592.2.基尔霍夫电流基尔霍夫电流(dinli)(dinli)定律定律(KCL)(KCL)令流出为令流出为“+”，有：，有：例例 在集总参数电路在集总参数电路(dinl)(dinl)中，任意时刻，对任意结点中，任意时刻，对任意结点流出（或流入）该结点电流的代数和等于零。流出（或流入）该结点电流的代数和等于零。流进的电流(dinli)等于流出的电流(dinli)1i5i4i3i2i第58页/共70页第五十九页，共70页。60例例三式相加得：三式相加得：KCL可推广应用于电路中包围多个(du)结点的任一闭合面。1 3 25i6i4i1i3i2i表明第59页/共70页第六十页，共70页。61 KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意(rny)结点处的反映；KCL是对结点处支路电流加的约束，与支路上接的是什么元件无关，与电路(dinl)是线性还是非线性无关；KCL方程是按电流(dinli)参考方向列写的，与电流(dinli)实际方向无关。明确第60页/共70页第六十一页，共70页。623.3.基尔霍夫电压基尔霍夫电压(diny)(diny)定律定律(KVL)(KVL)U3U1U2U4 标定标定(bio dn)(bio dn)各各元件电压参考方向元件电压参考方向 选 定 回 路 绕 行选 定 回 路 绕 行(r o(r o xn)xn)方向，顺时针或方向，顺时针或逆时针逆时针.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_在在集总参数电路中，任一时刻，集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零有支路电压的代数和恒等于零。第61页/共70页第六十二页，共70页。63U1US1+U2+U3+U4+US4=0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_KVL也适用于电路中任一假想(jixing)的回路。注意第62页/共70页第六十三页，共70页。64例例 KVL的实质反映了电路遵从(zncng)能量守恒定律;KVL是对回路中的支路电压加的约束(yush)，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；KVL方程是按电压参考方向(fngxing)列写，与电压实际方向(fngxing)无关。明确aUsb_-+U2U1第63页/共70页第六十四页，共70页。654.KCL4.KCL、KVLKVL小结小结(xioji)(xioji)：KCL是对支路(zh l)电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。KCL、KVL与组成(z chn)支路的元件性质及参数无关。KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是是能量能量守恒守恒的具体体现的具体体现(电压与路径无关电压与路径无关)。KCL、KVL只适用于集总参数的电路。只适用于集总参数的电路。第64页/共70页第六十五页，共70页。66思考I=01.？2.i1=i2?UA=UB?AB+_13V+_2Vi111111i2第65页/共70页第六十六页，共70页。67+-4V5Vi=?3+-4V5V1A+-u=?3例例3求电流求电流(dinli)i例例4求电压求电压(diny)u解解解解要求能熟练求解能熟练求解(qi ji)含含源支路的电压和电流源支路的电压和电流。第66页/共70页第六十七页，共70页。684V+-10AU=?2+-3A解解I1-10V10V+-1AI=?10例例5求电流求电流(dinli)I例例6求电压求电压(diny)U解解I第67页/共70页第六十八页，共70页。69解解10V+-3I2U=?I=055-+2I2 I25+-例例7求开路求开路(kil)电压电压 U第68页/共70页第六十九页，共70页。70解解选择参数可以选择参数可以(ky)得到电压和功率放大得到电压和功率放大。+-I1U=?R2 I1R1US例例8求输出求输出(shch)电电压压 U第69页/共70页第七十页，共70页。