RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過(guò)程教案

溫州大學(xué)課程教案RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過(guò)程學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院課程名稱普通物理實(shí)驗(yàn)（三）學(xué)時(shí)3教材大學(xué)基礎(chǔ)物理授課教師羅海軍授課對(duì)象11物本2012年10月

授課時(shí)間：具體見運(yùn)行表格。授課類型：實(shí)驗(yàn)課授課題目：RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過(guò)程本授課單元教學(xué)目標(biāo)：1．研究、串聯(lián)電路的暫態(tài)特性。2．利用示波器來(lái)記錄和顯示圖像。3．加深對(duì)、和各元件在電路中的作用的認(rèn)識(shí)。本授課單元教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：1．串聯(lián)電路的暫態(tài)過(guò)程的特性；2．欠阻尼狀態(tài)過(guò)程的串聯(lián)電路的暫態(tài)特性。難點(diǎn)：1．三種阻尼狀態(tài)的特征和條件的分析。2．?dāng)?shù)據(jù)的記錄和作圖分析。3.示波器的操作。本授課單元教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)理論指導(dǎo)采用黑板板書和幻燈片或PPT媒體教學(xué)等相結(jié)合。黑板板書主要列數(shù)據(jù)的記錄和處理以及注意事項(xiàng)。本單元分3課時(shí)完成：1．課前預(yù)習(xí)報(bào)告檢查和座位安排：10-20分鐘（提前進(jìn)行）。2．理論指導(dǎo)：20-30分鐘：3．學(xué)生實(shí)驗(yàn)及指導(dǎo)：115－125分鐘。理論指導(dǎo)：0-5min：實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器介紹。板書知識(shí)點(diǎn)如下：（一）實(shí)驗(yàn)背景（幻燈片）1．電路暫態(tài)過(guò)程就是電源接通或斷開“瞬間”，電路中的電流或電壓非穩(wěn)定的變化過(guò)程。2．電路必須預(yù)先考慮到暫態(tài)過(guò)程中的過(guò)渡現(xiàn)象，3．暫態(tài)過(guò)程可以從積極方面控制和利用，如提高過(guò)渡速度，可獲得高電壓或大電流等。（二）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ɑ脽羝?．研究串聯(lián)電路的暫態(tài)特性。2．研究串聯(lián)電路的暫態(tài)特性。3．加深、和各元件在電路中的作用。（三）實(shí)驗(yàn)儀器（幻燈片）雙蹤示波器、信號(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表、電容器、電感器、電阻箱等。5-10min：實(shí)驗(yàn)原理的講解：板書主要知識(shí)點(diǎn)：（四）實(shí)驗(yàn)原理（幻燈片）1．串聯(lián)電路暫態(tài)過(guò)程將電阻和電容串聯(lián)成如20-1所示的電路圖，當(dāng)與“1”接通時(shí)，其充電方程為：（20.1）或?qū)懗桑?0.2）圖20-1RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過(guò)程示意圖上述方程的初始條件是，因此可以解出式（20.2）的解（20.3）式中（）稱為串聯(lián)電路的時(shí)間常數(shù)，單位為秒；（）為電容器端電壓為時(shí)所貯藏的電荷量大小，單位為庫(kù)侖；為時(shí)刻電容器貯藏的電荷量。由式（20.3）可計(jì)算出電容和電阻兩端的電壓與時(shí)間關(guān)系的表達(dá)式：（20.4）（20.5）當(dāng)與“0”接通時(shí)，放電方程為：（20.6）根據(jù)初始條件，可以得到（20.8）（20.9）由上述公式可知，，和都按指數(shù)變化，值越大，則變化越慢，即電容的充電或放電越慢。圖20-2給出了不同值的變化情況，其中。圖20-2不同值的變化示意圖2．串聯(lián)電路的暫態(tài)過(guò)程將、和元件串聯(lián)組成如圖20-3所示的電路圖，先將K打向“1”，待穩(wěn)定后打向“2”，這稱為串聯(lián)電路的放電過(guò)程。此時(shí)方程為：,即。由于，則得（20.10）初始條件為，和，這樣方程的解可以分為以下三種情況：（1）當(dāng)時(shí)，為欠阻尼狀態(tài)。式（20.10）的解為圖20-3串聯(lián)電路的暫態(tài)過(guò)程（20.11）其中，。當(dāng)時(shí)，這時(shí)值很大，振幅的衰減很慢，阻尼振動(dòng)接近于電路的自由振蕩，此時(shí)。（2）當(dāng)時(shí)，為過(guò)阻尼狀態(tài)，不再出現(xiàn)振蕩狀態(tài)，式（20.10）的解為（20.12）（3）當(dāng)時(shí)，為臨界阻尼狀態(tài)，式（20.10）的解為（20.13）圖20-4為上述3種情況下的變化曲線，其中1為欠阻尼，2為過(guò)阻尼，3為臨界阻尼。圖20-4串聯(lián)電路放電時(shí)的曲線示意圖對(duì)于充電過(guò)程，與放電過(guò)程類似，只是初始條件和最后平衡的位置不同。5min：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解：板書主要知識(shí)點(diǎn)：（五）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（幻燈片顯示主要大標(biāo)題）1．串聯(lián)電路暫態(tài)過(guò)程的觀測(cè)參照?qǐng)D的電路圖，為示波器，為方波信號(hào)發(fā)生器，用來(lái)代替圖20-1中的直流電源和開關(guān)。如圖20-6所示，方波信號(hào)在到時(shí)間內(nèi)，以恒定電壓加在電路兩端，這時(shí)電容在充電，而在到時(shí)間內(nèi)，輸出電壓降到零，相當(dāng)于放電過(guò)程。在此實(shí)驗(yàn)中，用示波器觀測(cè)電容器的周期性充放電過(guò)程，顯示出電容兩端的電壓變化規(guī)律。圖20-5串聯(lián)暫態(tài)過(guò)程電路圖圖20-6方波信號(hào)和充放電示意圖（1）取，，。選用合適的示波器掃描速率檔位和衰減檔位，完整地顯示暫態(tài)過(guò)程。（2）改變（參考值和）或者值，觀測(cè)的變化情況，記錄此兩種情況下一個(gè)周期內(nèi)的值，并分別測(cè)量時(shí)間常數(shù)。（3）改變方波頻率（，頻率參考值：），觀察波形的變化情況，記錄一個(gè)周期內(nèi)的值分析相同的值在不同頻率時(shí)的波形變化情況。圖20-7串聯(lián)暫態(tài)過(guò)程電路圖2.串聯(lián)電路暫態(tài)過(guò)程的觀測(cè)（1）觀測(cè)三種阻尼狀態(tài)電路如圖20-7，方波信號(hào)取，電容取，，改變電阻值，在示波器上觀測(cè)三種阻尼狀態(tài)的波形。實(shí)驗(yàn)時(shí)電阻由小到大逐漸增大，最初出現(xiàn)欠阻尼狀態(tài)，當(dāng)數(shù)值增大到某一數(shù)值（），波形剛好不出現(xiàn)振蕩，電路處于臨界阻尼狀態(tài)，記下臨界電阻，繼續(xù)增大電阻，便出現(xiàn)過(guò)阻尼狀態(tài)。（2）測(cè)量欠阻尼狀態(tài)振蕩周期和時(shí)間常數(shù)。選一欠阻尼狀態(tài)波形（建議，測(cè)量其個(gè)周期的時(shí)間，求出周期，記下、和的值。測(cè)量欠阻尼狀態(tài)的電壓，繪出相應(yīng)的狀態(tài)波形。黑板板書：（六）數(shù)據(jù)記錄和處理(10min)1．串聯(lián)電路暫態(tài)過(guò)程的觀測(cè)(1)研究不同時(shí)間常數(shù)值的RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過(guò)程；；①，示波器掃描速率（TIME/DIV）檔位：；衰減（V/DIV）檔位：。T（格）0.00……(格)0.00②，示波器掃描速率（TIME/DIV）檔位：；衰減（V/DIV）檔位：。格；。T（格）0.00……(格)0.00(2)研究不同頻率下的的RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過(guò)程()③，示波器掃描速率(TIME/DIV)檔位：；衰減(V/DIV)檔位：。T（格）0.00……(格)0.002.串聯(lián)電路欠阻尼暫態(tài)過(guò)程的觀測(cè)④，，，。示波器掃描速率(TIME/DIV)檔位：；衰減(V/DIV)檔位：。T（格）(格)（七）注意事項(xiàng)（2min）1．示波器注意要選擇合適的掃描速率檔位和衰減檔位。以顯