RC、RLC交流电路的暂态特性研究的教学探讨_lcr电路暂态特性

　　摘要：交流电路的暂态特性研究实验是大学普通物理实验中一项重要的研究性实验，其目的是加深学生对暂态过程的特点的认识与理解。介绍了“RC、RLC交流电路的暂态特性研究”的实验过程以及实验教学中需注意的难点。
　　关键词：交流电路；暂态特性；教学探讨
　　作者简介：代海洋（1982-），男，河南睢县人，郑州轻工业学院技术物理系，讲师；陈镇平（1958-），女，安徽宿州人，郑州轻工业学院技术物理系，教授。（河南?郑州?450002）
　　基金项目：本文系郑州轻工业学院项目（项目编号：2010BSJJ030）的研究成果。
　　中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）24-0061-02交流电路的暂态特性研究实验是大学物理实验中一项比较重要的研究性实验科目。电阻、自感线圈、电容是电路中经常用到的电子元件，电路中的电阻是耗能元件，自感线圈和电容是储能元件。因为电路中由电容和自感线圈的存在，使得电路中存在能量的存储和释放，因为能量的存储和释放需要一个过程，所以有电容或自感线圈的电路存在过渡过程即暂态过程。产生暂态过程的必要条件是：电路中含有储能元件和电路发生换路（电路状态的改变，如：电路接通、切断、短路、电压改变或参数改变）；产生暂态过程的原因是：由于物体所具有的能量不能跃变，能量的积累或释放需要一定的时间。在现代电子科学等学科领域中，RC、RLC电路得到了广泛应用。RC、RLC交流电路的暂态特性在实际工作中十分重要，例如在脉冲电路中经常遇到元件的开关特性和电容充、放电的问题；在电子技术中常利用暂态特性来改善波形、产生特定波形等。但是在某些情况，暂态特性也会造成危害，例如在接通、切断电源的瞬间，暂态特性会引起电路中电流、电压过大，这将造成电器设备和元器件的损伤甚至毁坏，这是需要防止的。[1-2]
　　因此，研究暂态过程的目的就是认识和掌握这种客观存在的物理现象的规律，在生产上既要充分利用暂态过程的特性，同时也必须预防它所产生的危害。引导学生进行交流电路暂态特性的研究，不仅使学生对交流电路的暂态特性有初步的认识与理解，并且实验过程中会涉及到示波器的使用，可以加深学生对示波器的认识和使用，为以后的学习、工作打下良好的基础。本实验需要具备一定的综合性知识，由于部分学生利用综合知识的能力欠缺，在实验过程中会出现多种问题，不能达到实验的目的。因此，指导老师需要针对实验过程存在的问题进行深入研究，掌握实验技巧和方法。本文就作者在教学实践过程中遇到的问题及解决方法进行讨论。
　　一、实验的主要内容及步骤
　　电压由一个值跳变到另一个值时称为“阶跃电压”。在阶跃电压作用下，电阻、电容和自感线圈组成的电路的状态会由一个平衡态跳变到另一个平衡态，这一转变过程称为暂态过程。[1，2]在此期间电路中的电流及电容、自感线圈上的电压呈现出规律性的变化，称为电路的暂态特性。这一过程主要由电容、自感线圈、电阻的特性所决定。
　　1.实验内容
　　本实验由浅入深，先从简单的RC串联电路开始研究其暂态特性，然后在RC电路的基础上进行RLC串联电路的暂态特性研究。该实验的主要内容是：（1）观测RC串联电路在不同的时间常数下的暂态过程曲线，分析波形变化规律，理解时间常数τ的物理意义；（2）观测RLC串联电路不同阻尼状态的暂态过程的阻尼振荡规律，用示波器测量欠阻尼时的振荡周期和时间常数。实验中选择方波作为信号源进行实验，以普通示波器进行观测。
　　2.实验步骤
　　（1）RC串联电路的实验步骤：1）RC串联电路的连接；2）交流方波电源幅值与频率调节；3）选择合适的R、C值，确定时间常数；4）选用合适的示波器扫描速度，通过示波器观测RC电路不同时间常数下UC或UR随时间的变化曲线，研究时间常数对波形的影响规律。
　　（2）RLC串联电路的实验步骤：1）RLC串联电路的连接；2）交流方波电源幅值与频率调节；3）选择合适的L、C值，确定临界参数，调节R值大小，观察三种阻尼振荡时Uc随时间变化的波形图，研究不同状态下波形的变化规律；4）通过示波器显示的欠阻尼状态时的波形图，求出其振荡周期T和时间常数τ。
　　二、实验中经常出现的问题及解决方案
　　1.实验中经常出现的问题
　　在“RC、RLC交流电路的暂态特性研究”实验过程中，部分学生经常出现以下问题：
　　（1）不理解实验中为什么使用方波电源。
　　（2）交流电源的频率调节不合适，致使示波器上观测的波形图不完整，不能准确的得到实验结果。
　　（3）对RC电路，时间常数值选择不合理，导致观测的波形图变化不大，得出错误的结论。
　　（4）对于RLC电路，对电路的几种阻尼状态理解不够深入，不知该如何选择合适的R、L、C值，进而得到相应状态的波形图。
　　（5）根据RLC电路的欠阻尼状态波形图，不能正确得到其欠阻尼时的振荡周期和时间常数，认为方波宽度就是欠阻尼状态的振荡周期（如图1所示，t1和t2之间的时间差）。
　　2.解决方案
　　针对上述问题，有必要要求学生在课前利用RC、RLC交流电路的暂态特性的计算机模拟软件来辅助预习实验，熟悉仪器的操作，加深对实验原理的理解。实验操作之前需向学生做相关的介绍，使学生对实验过程有进一步的了解。
　　（1）实验中输入方波讯号如图2所示。方波（或称矩形波）讯号的周期为T，其电压变化的特点是：a～b电压为E，b～c电压为零，以后周而复始，形成阶跃式电压；该讯号电压变化的周期较短，在电路中相当于断续开关，使电路的变化过程是短暂的瞬态过程。
　　（2）根据时间常数τ，选择合适的方波频率f。一般要求方波的周期T＞10τ，这样能较完整地反映暂态过程，并且选用合适的示波器扫描速度，以完整地显示暂态过程。
　　（3）进行RC电路暂态过程实验时，时间常数值之间的差值要大些。比如使两个相邻的时间常数相差10倍以上的关系，这样就能明显的看出时间常数的变化对波形的影响。