13.1 换路定律（课件）《电工基础》（高教版·第2版）同步精品课堂

13.1 换路定律 同步精品课堂—中职专业课 《电工基础》（高教版·第2版） 1 学习 目标 理解电路瞬态过程的概念及成因（外因与内因） 学习目标 掌握换路定律的内容及表达式（uC(0₊)=uC(0₋)，iL(0₊)=iL(0₋)） 学会运用换路定律和基尔霍夫定律计算电路初始值 培养分析RC、RL电路瞬态过程的初步能力 新知学习 同学们，当我们打开日光灯时，灯管不是瞬间亮起，而是慢慢变亮；给手机充电时，充电器的指示灯也不是一下子满格。这些“慢慢变化”的过程就是电路的瞬态过程。在RC电路中，电容充电时电压逐渐上升；RL电路中，电感通电时电流慢慢增大。今天我们就来探究这些过程的规律，学习换路定律，揭开电路瞬态变化的奥秘。 新知学习 情景导入 新知学习 瞬态过程 新知学习 1．瞬态过程 瞬态过程又叫做过渡过程。如图所示的 RC 直流电路，当开关 S 闭合时，电源E通过电阻 R 对电容器 C 进行充电，电容器两端的电压由零逐渐上升到 E ，只要保持电路状态不变，电容器两端的电压E就保持不变。电容器的这种充电过程就是一个瞬态过程。 2．电路产生瞬态过程的原因 由上可知，电路产生瞬态过程的原因是： (1)电路中必须含有储能元件(电感或电容)。 (2)电路状态的改变或电路参数的变化。电路的这些变化称为换路。 新知学习 瞬态过程 新知学习 换路使电路的能量发生变化，但不跳变。电容所储存的电场能量为 ，电场能不能跳变反映在电容器上的电压uC不能跳变。电感元件所储存的磁场能量为 ，磁场能量不能跳变反映在通过电感线圈中的电流 iL 不能跳变。 新知学习 换路定律 新知学习 设 t = 0 为换路瞬间，则以 t = 0– 表示换路前一瞬间，t = 0+ 表示换路后一瞬间，换路的时间间隔为零。从 t = 0– 到 t = 0+ 瞬间，电容元件上的电压和电感元件中的电流不能跃变，这称为换路定律。 用公式表示为 新知学习 换路定律 新知学习 电路瞬态过程初始值的计算按下面步骤进行： 1．根据换路前的电路求出换路前瞬间，即 t = 0– 时的uC(0–)和 iL(0–)值； 2．根据换路定律求出换路后瞬间，即 t = 0+ 时的uC(0+)和 iL(0+)值； 3．根据基尔霍夫定律求电路其他电压和电流在 t = 0+ 时的值(把 uC(0+)等效为电压源，iL(0+)等效为电流源)。 新知学习 电压、电流初始值的计算 新知学习 什么是换路定律？其表达式是什么？ 答案：换路定律指换路瞬间（t=0₊与t=0₋），电容电压和电感电流不能跃变，表达式为uC(0₊)=uC(0₋)，iL(0₊)=iL(0₋)，因储能元件能量不能突变。 随堂练习 计算电路初始值的关键依据是什么？ 答案：计算初始值需以换路定律为基础，先确定uC(0₊)和iL(0₊)，再结合基尔霍夫定律及欧姆定律，求出其他电压、电流的初始值。 随堂练习 答案：C 解析：引起瞬态过程的外因是电路换路（如开关通断、电源变化等），内因是含储能元件（电容、电感），故本题选C。 1.下列属于引起电路瞬态过程外因的是（ ） A.电路含电容 B.电路含电感 C.开关闭合 D.元件储能特性 课堂练习 答案：C 解析：换路定律指出，换路瞬间电容电压（uC）和电感电流（iL）不能跃变，因两者分别对应电场能和磁场能，而能量不能突变，故本题选C。 2.换路定律的核心是（ ） A.电容电流不能跃变 B.电感电压不能跃变 C.电容电压和电感电流不能跃变 D.所有电压电流都不能跃变 课堂练习 答案：B 解析：换路前电容未储能时，uC(0₋)=0，根据换路定律uC(0₊)=0，此时电容两端电压为0，相当于短路，故本题选B。 3.换路前电容未储能，换路瞬间电容相当于（ ） A.开路 B.短路 C.电源 D.电阻 课堂练习 答案：B 解析：换路前电感无电流时，iL(0₋)=0，根据换路定律iL(0₊)=0，此时电感中无电流，相当于开路，故本题选B。 4.换路前电感无电流，换路瞬间电感相当于（ ） A.短路 B.开路 C.导线 D.电容 课堂练习 答案：C 解析：换路时只有电容电压和电感电流不能跃变，电阻电压由电流和电阻决定，电流可能跃变，故电阻电压可能跃变，本题选C。 5.下列物理量在换路瞬间可能跃变的是（ ） A.电容电压 B.电感电流 C.电阻电压 D.以上都不能 课堂练习 答案：B 解析：瞬态过程产生的内因是电路含储能元件（电容、电感），因其储存的能量（电场能、磁场能）不能突变，外因是换路，故本题选B。 6.电路瞬态过程的内因是（ ） A.开关通断 B.含储能元件 C.电源变化 D.电阻变化 课堂练习 答案：C 解析：根据换路定律，无论电容是否储能，换路瞬间uC(0₊)始终等于换路前终了瞬间的电压uC(0₋)，故本题选C。 7.换路瞬间，若电容已储能，则uC(0₊)等于（ ） A.0 B.电源电压 C.uC(0₋) D.任意值 课堂练习 答案：B 解析：直流稳态时，电感电流不变，感应电动势为0，相当于短路，此特性与瞬态过程中换路瞬间的特性不同，故本题选B。 8.电感在直流稳态电路中相当于（ ） A.开路 B.短路 C.电阻 D.电容 课堂练习 答案：B 解析：换路指引起电路变化的操作（如开关通断、参数变化、接线改变等），电源电压不变不属于换路，故本题选B。 9.下列不属于换路的是（ ） A.开关闭合 B.电源电压不变 C.电阻值改变 D.电路接线变化 课堂练习 答案：C 解析：初始值计算需先根据换路定律确定uC(0₊)和iL(0₊)，再以此为基础求其他量，故首要确定的是这两个量，本题选C。 10.计算电路初始值时，首要确定的是（ ） A.电阻电流 B.电源电压 C.电容电压和电感电流 D.电感电压 课堂练习 答案：瞬态过程 解析：当电路发生换路时，储能元件的能量会发生变化，从原有稳态过渡到新稳态的中间过程即为瞬态过程。 1.电路从一种稳态到另一种稳态的变化过程称为______。 课堂练习 答案：储能（或动态） 解析：储能元件（电容、电感）储存电场能或磁场能，而能量不能突变，这是瞬态过程产生的内在原因。 2.引起电路瞬态过程的内因是电路中含有______元件。 课堂练习 答案：iL(0₊)=iL(0₋) 解析：换路瞬间，电感中的磁场能不能突变，反映为电感电流不能跃变，即换路后初始瞬间的电流等于换路前终了瞬间的电流。 3.换路定律中，电感电流的初始值表达式为______。 课堂练习 答案：0 解析：换路前电容未储能时，uC(0₋)=0，根据换路定律uC(0₊)=uC(0₋)，故换路瞬间电容电压为0。 4.换路前电容未储能，则换路瞬间uC(0₊)=______。 课堂练习 答案：电感；电容 解析：电感储存磁场能、电容储存电场能，能量不能突变，分别表现为电感电流和电容电压在换路瞬间不能跃变。 5.电路换路时，______中的电流和______上的电压不能跃变。 课堂练习 答案：电压；电流 解析：换路定律仅限制电容电压和电感电流不能跃变，电路中电阻的电压、电流等其他量不受此限制，可能发生跃变。 6.换路瞬间，除电容电压和电感电流外，电路中其他______和______都可能跃变。 课堂练习 答案：基尔霍夫（或KCL、KVL） 解析：换路定律确定uC(0₊)和iL(0₊)后，需通过基尔霍夫电流定律（KCL）和电压定律（KVL）推导其他电压、电流的初始值。 7.计算电路初始值时，需结合换路定律和______定律。 课堂练习 答案：换路 解析：换路包括开关通断、电源变化、参数改变等引起电路状态变化的操作，开关断开是典型的换路形式。 8.开关断开属于电路______的一种形式。 课堂练习 课堂小结 感谢观看 $