RLC串联电路的暂态过程
教案
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温州大学
课程教案
RLC串联电路的暂态过程
学 院 物理与电子信息工程学院
课程名称 普通物理实验(三)
学 时 3
教 材 大学基础物理
授课教师 罗海军
授课对象 11物本
12年10月 20
授课时间:
具体见运行
表
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格。
授课类型:实验课
授课题目:RLC串联电路的暂态过程
本授课单元教学目标:
RCRLC1(研究、串联电路的暂态特性。
2(利用示波器来记录和显示图像。
RLC 3(加深对、和各元件在电路中的作用的认识。 本授课单元教学重点和难点:
重点:
RC 1(串联电路的暂态过程的特性,
RC2(欠阻尼状态过程的串联电路的暂态特性。
难点:
1(三种阻尼状态的特征和条件的分析。
2(数据的记录和作图分析。
3. 示波器的操作。
本授课单元教学过程
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
:
实验理论指导采用黑板板书和幻灯片或
ppt
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媒体教学等相结合。
黑板板书主要列数据的记录和处理以及注意事项。
本单元分3课时完成:
1(课前预习
报告
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检查和座位安排:10-20分钟,提前进行,。
2(理论指导:20-30分钟:
3(学生实验及指导:115,125分钟。 理论指导:
0-5min:实验背景、实验目的、实验仪器介绍。
板书知识点如下:
,一,实验背景,幻灯片,
1(电路暂态过程就是电源接通或断开 “瞬间”~电路中的电流或电压非稳定的变化过程。
2(电路必须预先考虑到暂态过程中的过渡现象~
3(暂态过程可以从积极方面控制和利用~如提高过渡速度~可获得高电压或大电流等。
,二,实验目的,幻灯片,
RC 1(研究串联电路的暂态特性。
RLC 2(研究串联电路的暂态特性。
RLC 3(加深、和各元件在电路中的作用。
,三,实验仪器,幻灯片,
双踪示波器、信号发生器、万用表、 电容器、电感器、电阻箱等。
5-10min:实验原理的讲解:
板书主要知识点:
,四,实验原理,幻灯片,
RC 1(串联电路暂态过程
RCK将电阻和电容串联成如20-1所示的电路图~当与“1”接通时~其充电方程为:
q ,20.1, iRE,,C
dqq或写成 ,20.2, RE,,dtC
图20-1 RC串联电路的暂态过程示意图
q(0),0上述方程的初始条件是~因此可以解出式,20.2,的解
,t/, ,20.3, qQe,,(1)
RCRC,ECCQ式中 ,,称为串联电路的时间常数~单位为秒,,,为电容器端电压为E,
时所贮藏的电荷量大小~单位为库仑,为时刻电容器贮藏的电荷量。 qt
由式,20.3,可计算出电容和电阻两端的电压与时间关系的表达式:
,t/,UqCEe,,,/(1) ,20.4, c
dq,t/,,, ,20.5, UREeRdt
K当与“0”接通时~放电方程为:
dq1 ,20.6, Rq,,0dtC
根据初始条件 ~可以得到 qQEC(0),,
,t/, ,20.8, UEe,C
,t/, ,20.9, UEe,,R
q 由上述公式可知~U~U和都按指数变化~值越大~则U变化越慢~即电容的充电或放,CRC
,,,,,电越慢。图20-2给出了不同U值的变化情况~其中。 ,123C
U,图20-2 不同值的变化示意图 CRLC2(串联电路的暂态过程
RLC将、和元件串联组成如图20-3所示的电路图~先将K打向“1”~待稳定后打向“2”~这
di0iRLU,,,RLCUUU,,,0称为串联电路的放电过程。此时方程为:,即。由于CRLCdt
dUdqCiC,,~则得 dtdt
2dUdUCCLCRCU,,,0 ,20.10, C2dtdt
dUCt,0UE,初始条件为~和~这样方程的解可以,0Cdt
分为以下三种情况:
L,1,当时~为欠阻尼状态。式,20.10,的解为 R,2C
RLC图20-3 串联电路的暂态过程
t,1, ,20.11, UEet,,,,,,,sin()CC2,,R1L4
24L1RC22L其中,,~。当时~这时值很大~振幅的衰减很慢~阻R ,,,,1RC4LLC
1LC尼振动接近于电路的自由振荡~此时。 ,,,,0LC
LR,2,2,当时~为过阻尼状态~不再出现振荡状态~式,20.10,的解为 C
t,1,UEecht,,,,,,, ,20.12, ()CC2,,R1L4
LR,2,3,当时~为临界阻尼状态~式,20.10,的解为 C
t,t,,,,(1)UEe ,20.13, C,
U图20-4为上述3种情况下的变化曲线~其中1为欠阻尼~2为过阻尼~3为临界阻尼。 C
URLC图20-4 串联电路放电时的曲线示意图 C对于充电过程~与放电过程类似~只是初始条件和最后平衡的位置不同。
5min:实验内容讲解:
板书主要知识点:
,五,实验内容,幻灯片显示主要大标题, RC1(串联电路暂态过程的观测
205,SF参照图的电路图~为示波器~为方波信号发生器~用来代替图20-1中的直流电源
URC0Kt和开关。如图20-6所示~方波信号在到时间内~以恒定电压加在电路两端~这时电1
tt容在充电~而在到时间内~输出电压降到零~相当于放电过程。在此实验中~用示波器观测电12
容器的周期性充放电过程~显示出电容两端的电压变化规律。
RC 图20-5 串联暂态过程电路图 图20-6 方波信号和充放电示意图
R,,500fHz,500CF,0.1, ,1,取~~。选用合适的示波器扫描速率档位和衰减档位~完整地显示暂态过程。
R,,1000R,,2000CRU,2,改变,参考值和,或者值~观测的变化情况~记录此两C
U种情况下一个周期内的值~并分别测量时间常数。 ,C
R,,2000,3,改变方波频率,~频率参考值:
UfHz,250,~观察波形的变化情况~记录一个周期内的值C
分析相同的,值在不同频率时的波形变化情况。 图20-7 串联暂态过程电路图 RLC
2.串联电路暂态过程的观测 RLC
,1,观测三种阻尼状态
LmH,10f500,HRCF,0.005,电路如图20-7~方波信号取~电容取~~改变电阻值~Z
在示波器上观测三种阻尼状态的波形。
RR实验时电阻由小到大逐渐增大~最初出现欠阻尼状态~当数值增大到某一数值,,~波形0
R刚好不出现振荡~电路处于临界阻尼状态~记下临界电阻~继续增大电阻~便出现过阻尼状态。 0
T2,测量欠阻尼状态振荡周期,和时间常数,。
R,,100TRLnt选一欠阻尼状态波形,建议~测量其个周期的时间~求出周期~记下、和C的值。测量欠阻尼状态的电压~绘出相应的状态波形。
黑板板书:
,六,数据记录和处理(10min)
RC1(串联电路暂态过程的观测
,(1) 研究不同时间常数值的RC串联电路的暂态过程
CF,0.1000,fHz,500,,
R,,1000________________?~示波器扫描速率,TIME/DIV,档位:,衰减,V/DIV,档位:。
T,格, 0.00 ……
0.00 U(格) C
R,,2000?~示波器扫描速率,TIME/DIV,档位:,衰减,V/DIV,档位:。________________
格,。 ,,______,,______msl理测
T,格, 0.00 ……
0.00 U(格) C
(2) 研究不同频率下的的RC串联电路的暂态过程() fHz,1000
R,,2000?~示波器扫描速率(TIME/DIV)档位:,衰减(V/DIV)档位:。 ________________T,格, 0.00 ……
0.00 U(格) C
2.串联电路欠阻尼暂态过程的观测 RLC
LmH,10R,,100fH,500CF,0.005,?~~~。示波器扫描速率(TIME/DIV)档位:Z
,衰减(V/DIV)档位:。 ________________
T,格,
U(格) C
,七,注意事项,2min,
1(示波器注意要选择合适的扫描速率档位和衰减档位。以显示恰当的波形。
2(用方波显示波形时。示波器DC档位要按下去。
3. 数据记录既要考虑时间~又要考虑电压的测量。
4. 若用示波器显示的波形有分叉、跳动或平移等现象~请调节“释抑”开关。 本授课单元参考资料
[1] 金清理~黄晓虹.大学基础物理实验.杭州:浙江大学出版社~2007
[2] 程守洙~江之永.普通物理学.第五版.北京:高等教育出版社~2005