第 1 讲 正弦交流电基本概念.docx
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第1讲正弦交流电基本概念
课内实训项目操作分析单
班级________姓名_______学号_______
编制部门：
信控学院编制人：
----------编制日期：
年月日
项目编号
项目名称
观察直流电和交流电的波形
训练对象
课程名称
《电工电子技术》
教材
《电工技术》
《电子技术基础》
学时
实训目的
知识目标：
交流电的三要素：
相位差,有效值,频率
技能目标：
1、学会用双踪示波器观察单相交流电波形
2、掌握用万用表测量交流电、直流电电压。
一、仪器设备：
ZH-12电源实验台、双踪示波器、万用表
二、注意事项：
1、万用表的正确使用：
（1）指针式万用表的正确使用
万用表是一种多功能仪表。
若使用中稍有不慎，就可能对仪表造成损伤。
正确使用万用表，一方面是对万用表的良好维护，另一方面还可使附加测量误差减少到最低限度。
使用万用表时，应该注意以下几个要点：
.测量时应注意转换开关旋转的档位。
既要注意被测量的种类，也要注意被测量范围，绝不允许将转换开关置于电阻档或电流档去测量电压，这样会烧坏表头。
.测量前如不知被测量的大小，则应先选用大量程档进行试测，然后逐渐将量程转换减小到合适的档位上。
转换量程时，应注意不要带电操作，以防打表。
.测量直流量时，要注意万用表“
”、“—”接线端，应使“
”、“—”接线端分别与被测电路的正、负极连接，以防指针反偏。
.测量电阻时，应在测量前和变换量程档后进行调零。
为提高准确度，应尽量使用表盘刻度的中间段，因此须选择合适量程，切记不能测量带电电阻。
测电路中某一电阻时，应将此电阻的一端与电路分开后在测。
当测量电阻小于
时，两手不要同时与两表笔相接，以免人体电阻对测量结果造成影响。
（2）数字式万用表的使用方法
.测试棒位置的选择。
黑色测试棒置于“COM”公共插口，红色测试棒根据被测量的不同分别插入对应的插口。
“V
”口用于测量电压或电阻；“mA”口用于测量
各档电流；“
”口专测
电流。
.选择开关的正确位置。
根据被测量的不同，将选择开关置于对应的位置，图中的“
”档位是用作通路测试，若通路电阻小于20
，则蜂鸣器发出响声。
.电源开关。
置于“ON”时，电源接通，显示屏上“1”或“0”或变化不定的数字显示，此时即可进行测量。
使用完毕将开关置于“OFF”位，电源被切断。
.使用注意事项。
严禁在测量较高电压或较大电流时拨动选择开关，以防电弧烧损开关；严禁带电测量电阻；当电池不足时，欠压指示符号“
”显示，应更换电池；测量高电压时注意人身安全。
2、双踪示波器的正确使用：
（讲解本次试验所用双踪示波器部份）
尤其要注意的是：
示波器两个探头的接地端必须同时接在B点，两个探针分别接于A点和C点。
否则，如果照图2-（b）接线会造成镇流器短路，灯泡此时仍接在220V电源上，这是因为两个接地端在示波器内部是连在一起的如下图：
2-（a）正确测量法2-（b）错误测量法
观察双踪波形时的两探头位置
3、接线后经过检查线路正确后才能通电测试。
4、注意用电安全。
三、实训原理和电路图
实训项目1：
直流电源供电的白炽灯实验
观察由直流电源供电的白炽灯两端的电压波形。
电路图：
图1
操作步骤：
白炽灯电路：
1、调节ZH-12实验台上的直流电源，使其输出直流电源电压值为12V。
2、按图1电路图接线，先自行检查接线是否正确，并经教师检查无误后通电。
观察灯泡亮度。
3、用万用表直流电压挡分别测量直流电源U、白炽灯两端电压U1，将结果填入表-1中。
注意比较U、U1在数值上的关系
4、用示波器观察灯泡两端电压U1的波形。
仔细调节示波器，屏幕上显示的波形，并记录表-1中
白炽灯的调光电路
图2
实训项目2：
白炽灯的调光实验
操作步骤：
1、调节ZH-12实验台上的单相交源电源，使其输出交源电压值为220V。
2、按图2电路图接线，先自行检查接线是否正确，并经教师检查无误后通电。
观察灯泡亮度。
3、用万用表交流电压挡分别测量输入电压U、可调电感器两端的电压U1及白炽灯两端电压U2，将结果填入表-1中。
注意比较U、U1、U2在数值上的关系
4、用示波器的两个通道同时观察可调电感器两端电压u1及灯泡两端电压u2的波形。
仔细调节示波器，屏幕上显示的波形，记录表-2中。
5、改变可调电感数值，重复2、3、4。
五、结果汇总
u波形
u1波形
U数值/V
U1数值/V
表-1
u波形
u1、u2波形
U数值
U1数值
U2数值
可调电感变化前
可调电感变化后
表-2
六、结果分析
1、直流电和交流电有什么区别？
2、U1、U2的波形上有什么区别？
3、U=U1+U2成立吗？
七、评分
1、操作是否符合规范（40%）
2、结果是否正确（30%） 总分：
_________
3、分析是否正确（30%）
课题1：
正弦交流电基本概念
课型：
教学目的要求：
1、了解正弦交流电路的组成特点；
2、掌握正弦量频率、初相、幅值三要素；
教学重点：
正确理解交流电的三要素：
初相位、频率、幅值
教学难点：
正确理解交流电初相位的概念
教学分析：
本次课主要是让学生对正弦交流电有一个初步的认识，掌握描述正弦交流电的三个要素。
由于大多数学生是初次接触这部分内容，所以采用先通过实训观察直流电、交流电的波形，使学生对频率、相位、幅值等情况先从示波器上获得直观上的认识，在此基础上再从理论上进行系统全面的讲述正弦量的特点及三要素的具体描述方法。
通过实际观察和理论讲解两方面结合来达成本次课的教学目的。
教学过程：
交流电作为能源的一种，得到广泛应用,正弦交流电容易产生，并能用变压器改变电压，便于输送和使用,且交流电机结构简单、工作可靠、经济性好。
一、提问：
1、电的种类大致分为哪三种？
日常家庭用电最多是哪一种电？
注：
（a）直流电（b）交流电（c）脉冲电
电流波形图
正弦交流电：
凡是随时间按正弦规律变化的电压、电流或电动势都叫做正弦交流电。
2、直流电和交流电有什么区别呢？
（提问引起学生的注意，增加其好奇心）
那么交流电究竟是一种什么形式的电呢？
它与直流电有些什么区别？
由那些物理量来描述？
下面我们先通过两个电路来观察直流电与交流电的区别，以及对交流电的特性做细致的分析。
二、实训操作：
1、课内实训项目1：
观察用直流电源供电的白炽灯两端电压波形
提示注意事项，并重点讲解本次双踪示波器要用到的使用方法。
做好电路图的连接示范，按照实训操作单对项目1进行连接测试并作好记录。
2、课内实训项目2：
白炽灯的调光实验
同课内实训项目1的程序。
按照实训操作单对项目2进行连接测试，并作好记录。
2、对操作结果进行分析：
（1）先提问1~2人：
直流电和交流电在波形上有什么区别？
正弦交流电有什么特点？
三、分析
首先从实训项目1所得到的电压波形上看，其电压值不随时间而变化，是一条与横轴平行的直线。
不随时间变化，这就是直流电的特征。
那么交流电呢？
我们接下去看实训项目2的波形。
我们可以发现：
其电压的波形是正弦波，其大小和方向都是不断地随时间变化的，而且是周期性的变化。
大小和方向随时间变化这就是交流电最显著的特征，也是和直流电最根本的区别。
再来分析一下所记录的电压数值，我们会发现电路的端电压不等于各分电压之和，即U≠U1+U2，而是U这与直流电路显然不同。
因此，注意在进行交流电路计算时不能照搬直流电路的计算方法。
为什么会出现这种情况呢？
（提问1~2人）
是因为电路中出现了电感性与电容性负载，这类负载都属于储能元件。
接下去再比较灯泡和电感上的电压波形，看他们的波形起点有没有不同？
（提问1~2人）
从他们的波形上可以看出，电感上的电压波形比灯泡上的电压波形超前了将近90度。
由此可以看出，当同一个电流流过不同类型的负载时，负载上电压波形在时间轴上的起始点是不同的，存在一定的差值，这个差值我们称为相位差，是交流电的一个十分重要的特征。
●确切描述：
相位差：
交流电路中，经常要进行两个同频率正弦量的相位比较，两个同频率的正弦量的相位之差称为相位差，用表示。
如电压、电流相位比较
a.若=0，表明u=i，则u与i同时到达正（或负）最大值，也同时达到零，我们称它们是同相位，简称同相
b.若=180，则称它们的相位相反，简称反相
c.若0，表明ui，则u滞后于i（或i超前于u）一个相位角
两正弦量同相位和反相位波形
相关概念：
相位：
在正弦交流电表达式中，
是正弦交流电随时间变化的（电）角度称为该正弦交流电的相位角，简称相位。
它是表示正弦交流电的物理量，单位是rad（弧度）。
初相：
t=0时的相位角称为初相
，它反映了对一个正弦量所取的计时起点。
同时我们在示波器上可以看到波形重复出现，我们将出现一个完整波形所需时间称为周期。
●确切描述：
周期：
正弦量变化一周所需时间为周期，用T表示单位为（s）。
●相关概念：
频率：
正弦量在1s内变化的周期数为频率，用f表示单位频率（Hz）f=1/T…………………………………....
角频率：
正弦交流电变化一个周期相当于正弦函数变化2π弧度，所以正弦量变化的快慢也可用角频率ω表示。
它指的是正弦量变化的快慢也可用角频率ω表示，单位：
rad/s。
ω=2π/T=2πf…………………………………………….
（2）
从波形上任意时刻都对应一个不同的数值，我们称为瞬时值。
瞬时值中的最大数值，称为最大值（幅值）。
确切描述：
根据实训波形，正弦交流电我们可以用正弦函数表达式表示为：
瞬时值：
i描述的是任一瞬间的电流值，称为瞬时值，以小写字母表示。
最大值：
Im交流电流瞬时中的最大数值，称为最大值（幅值），以大写字母带下标m（max）表示。
（不能反映交流电做功的能力，于是引入有效值的概念。
）
相关概念：
有效值：
如果交流电和直流电分别通过同一电阻，两者在相同时间内消耗的电能相等，即产生的热量相等时，则此直流电的数值就叫做交流电的有效值。
理论和实验均可证明，正弦交流电压、电流、电动势的有效值与最大值之间的关系为：
从以上的分析可以看出，交流电不同于直流电。
它的大小和方向是随时间不断变化的，而且同一电流流过不同类型的负载时，负载上电压会不同，有相位差，并且其计算不同于直流电。
我们可以得出正弦量的特征表现在变化的快慢、数值的大小及时间上的先后三个方面，他们分别有频率（或周期）、幅值（或有效值）或初相来确定。
所以正弦量的三要素指的就是频率、幅值和初相。
四、归纳
1、正弦交流电的周期、频率、角频率概念。
描述正弦量变化快慢的量有周期、频率和角频率。
频率、周期、角频率三个量都说明正弦交流电变化快慢的同一物理实质的。
2、瞬时值、最大值、有效值
描述正弦量“大小”的量有瞬时值、最大值、有效值。
理论和实验均可证明，正弦交流电压、电流、电动势的有效值与最大值之间的关系为：
3、正弦交流电的相位、初相和相位差
描述正弦量在时间轴上“先后”的量有相位、初相和相位差。
举例
例1：
某正弦电压的有效值U=220V，初相u=30；某正弦电流的有效值I=10A，初相i=-60。
它们的频率均为50Hz。
试分别写出电压和电流的瞬时值表达式，并画出它们的波形。
电压的最大值为Um=U=220=310V
电流的最大值Im=10=14.1A
电压的瞬时值表达式为
电流的瞬时值表达式为
例1的波形
课堂小结:
1、直流电和交流电的区别
2、正弦交流电的三要素。
3、各个要素内部的相互转换。
作业：
P64NO3-1、3-3
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