任务1.3 认识电路的基本物理量
【学习目标】
1）熟悉电路模型概念及电路工作状态。
2）掌握电压、电流等电路基本物理量的概念及功率的概念。
3）掌握直流电压表、电流表和万用表的使用。
【任务布置】
1）通过实训室仪器及设备的认识，使学生能正确使用实训室的仪器和设备。
2）使用实训室仪器、设备进行电路的连接；进行基本参数的测量；学会仪器、仪表的使用及电量的测试方法。
【任务分析】
循序渐进地完成任务，第一步是仪器和设备的认识和使用；第二步是电路中电参数的认识及测试。
【知识链接】
1.3.1 电路及电路图
1．电路
（1）电路的基本概念
电路是实现某一特定功能的电流的通路。电路的主要功能如下：实现电能的传输、分配和转换，如手电筒电路；实现信息传递和处理，如电视机电路。
（2）电路的组成
实际电路一般由电源、负载、中间环节几个部分组成。
电源是供应电能的设备，如电池、发电机等。负载是取用电能的设备，如灯泡、电动机等。中间环节是电源和负载之间不可缺少的连接、控制和保护部件，如连接导线、开关设备、测量设备以及各种继电保护设备等。图1-9所示标出了手电筒中实际电路的组成及各部分的作用。
2．电路模型
（1）理想元件
实际电路中的元器件种类繁多，为便于对电路进行分析和计算，可将实际电路元器件加以近似化、理想化，在一定条件下忽略其次要特性，用足以表征其主要特性的“模型”来表示，即用理想元件来表示。理想电阻元件只消耗电能；理想电容元件及电感元件只储存电能，不消耗电能。
（2）电路模型
元器件或元器件的组合，就构成了实际器件和实际电路模型。元器件都用规定的图形符号表示，再用连线表示元器件之间的电的连接，这样画出的图形称之为电路图，也是实际电路的模型，简称为电路模型。电路理论中所研究的电路实际是电路模型的简称。图1-10为图1-9的电路模型。表1-4中列出了电路图中常用的元器件及仪表的图形符号。
图1-9 手电筒电路组成及各部分作用
图1-10 手电筒电路模型
表1-4 电路中常用元器件及仪表的图形符号
1.3.2 电路的基本物理量、电路的功率及其测试
1．电流及其参考方向
（1）电流的定义
带电粒子的定向移动形成电流。
（2）电流的大小及实际方向
电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流的实际方向习惯上是指正电荷移动的方向。如手电筒电路中，在外电路，电流由正极流向负极；在电源内部，电流由负极流向正极。
电流按大小和方向是否随时间变化可分为两类。大小和方向均不随时间变化的电流，称为恒定电流，简称直流，用I表示；大小和方向均随时间变化的电流，称为交变电流，简称交流，用i表示。
对于直流电流，单位时间内通过导体截面的电荷量是恒定不变的，其大小为I=Q/T。
对于交流电流，若在一个无限小的时间间隔dt内，通过导体横截面的电荷量为dq，则该瞬间的电流为i=dq/dt。
在国际单位制（SI）中，电流的单位是安培（A）。
（3）电流参考方向
在简单电路中，电流的实际方向可根据电源的极性直接确定；而在复杂电路中，电流的实际方向有时难以确定。为了便于分析计算，便引入电流参考方向的概念。
电流参考方向，就是在分析计算电路时，先任意选定某一方向，作为待求电流的方向，并根据此方向进行分析计算。
（4）计算（测量）结果意义
电路计算（测量）中，在选定的参考方向下，若计算（测量）结果为正，说明电流的参考方向与实际方向相同；若计算（测量）结果为负，说明电流的参考方向与实际方向相反。图1-11表示了电流的参考方向（图中实线所示）与实际方向（图中虚线所示）之间的关系。
图1-11 电流参考方向与实际方向
a）I＞0 b）I＜0
2．电压
（1）电压定义
在电路中，电场力把单位正电荷（q）从a点移到b点所做的功（w）被称为a、b两点间的电压，记做Uab=dw/dq。
对于直流电压，则为Uab=W/Q。
在国际单位制（SI）中，电压的单位为伏特（V）。
（2）电压的实际方向
电压的实际方向为电场力移动正电荷定向运动的方向。
（3）电压参考方向与计算（测量）结果意义
与电流参考方向一样，电压也需设定参考方向，其方向可用箭头表示，或用“+”极性表示，也可用带字母的双下标表示，如图1-12所示。若用双下标表示，如Uab表示由a指向b，显然Uab=-Uba。
图1-12 电压参考方向及表示
电压的参考方向也是任意选定的，在选定的参考方向下，当计算（测量）电压值为正，说明电压的参考方向与实际方向相同；反之，说明电压的参考方向与实际方向相反。如图1-13所示，电压的参考方向已标出，若计算出U1=1V，U2=-1V，则各电压实际方向如图中虚线所示。
还要特别指出，电流与电压的参考方向原本可以任意选择，彼此无关。但为了分析方便，对于负载，一般把两者的参考方向选为一致，称之为关联参考方向；对于电源，一般把两者的参考方向选为相反，称之为非关联参考方向。
图1-13 电压参考方向与实际方向
3．电位
在电工技术中，常使用电压的概念，例如荧光灯的电压为220V，干电池的电压为1.5V等。在电子技术中，常用电位的概念。
在电路中任选一点作为参考点，当电路中有接地点时，以地为参考点；若没有接地点时，则选择较多导线的汇集点为参考点。在电子电路中，通常以设备外壳为参考点，参考点用符号“┸”表示。
定义电路中某一点与参考点（p）之间的电压称为该点的电位。一般规定参考点的电位为零，因此参考点也称零电位点。电位用符号V表示，例如a点的电位记为Va，显然有Va=Uap。
电路中各点电位、电压与参考点的关系。
（1）电位与参考点关系
各点的电位随参考点的变化而变化。在同一电路中，只能选择一个参考点，参考点一旦选定，各点的电位是唯一确定的。和电压一样，电位也是一个代数量，比参考点电位高的各点为正电位，比参考点电位低的各点为负电位。
（2）电压与参考点关系
电路中任意两点的电压与参考点的选择无关。即电路参考点不同，但电路中任意两点的电压不变。
（3）电压与电位关系
电路中任意两点的电压等于这两点的电位差，即Uab=Va-Vb。
4．电功率
（1）概念及计算公式
单位时间内电场力或电源力所做的功被称为电功率，用p表示，即p=dw/dt。
如图1-14a所示，电路的u与i为关联参考方向，N为电路的任一部分或任一元件，则该电路中N吸收的功率为p=ui。
如图1-14b所示，当电路的u与i为非关联方向时，Uab=-Uba，则该电路中N吸收的功率为p=-ui。
在直流电路中，电压、电流都是恒定值，电路吸收的功率也是恒定的，常用大写字母表示为P=±UI。
图1-14 电功率计算示意图
（2）正确理解和使用电功率公式
当需要求解某部分电路（或某元件）的功率，并判断其在电路中的作用时，可按以下几步计算。
1）标方向：选定电压、电流的参考方向（关联或非关联）。
2）选用正确公式：关联方向时，交流电路中p=ui，直流电路中P=UI；非关联方向时，交流电路中p=-ui，直流电路中P=-UI。
3）计算：将u、i（U、I）的数值连同符号一起代入所选公式计算出p（P）。
4）结论：计算结果p（P）＞0，吸收功率，起负载作用；p（P）＜0，提供功率，起电源作用；p（P）=0，既不吸收也不消耗功率。
（3）测量直流电路的功率并判断待测电路的作用
在手电筒电路中，通过灯泡的电压、电流实际方向一致，灯泡是负载；通过电池的电压、电流实际方向相反，电池是电源。也就是说当电压、电流实际方向一致时，待测电路在电路中起负载作用；当电压、电流实际方向相反时，待测电路在电路中起电源作用。
5．电气设备的额定值与电路的工作状态
电气设备的额定值是指电气设备在正常运行时的规定使用值，通常指额定电压、额定功率。电气设备工作在通路时，应在额定值条件下工作，否则会影响电气设备的使用寿命，甚至不能正常工作。
一般电路的工作状态可分为通路、开路与短路三种状态。
（1）通路（或有载）工作状态
通路：处处连通的电路，有电流通过电气设备，电气设备处于工作状态。电路中电流的大小由电源与负载决定。
（2）短路工作状态
短路：电流没有通过电气设备，直接与电源构成通路。
短路时，电路中的电流比正常工作状态要大，若电源内阻很小，一旦发生电源短路，将由于电流过大而烧毁电源，所以电路一般严禁短路。
（3）开路工作状态
开路：断开的电路，电路中无电流，电气设备不工作。开路时，电源没有带负载，又称电源空载状态，此时电路中的电流为零。
【任务实施】
1.3.3 技能训练：电压、电流的测量
1．训练任务
练习用实验台提供的直流电压表、电流表进行直流电压及电流的测量。
2．训练目标
1）熟练使用直流电压及电流表进行直流电压、电流参数测量。
2）加强电压及电流值的正负与真实方向的关系理解。
3）能正确理解和使用电功率的公式。
3．仪器与设备
THHE-1型电工实验台、HE-12实验电路板、连接线等。
4．相关知识
1）测量电流时电流表要串联接入电路中。
2）对指针式直流电流表接入电路时一定要注意正、负极。
3）HE-12实验电路板上各支路中均有电流表串接点，但必须用专用的电流测量线才能将电流表串联接入电路中。
5．训练要求
1）电路的连接及拆除应在断电的情况下。严禁带电操作。
2）对仪器和仪表等轻拿轻放。连接线等要理齐摆放。插拨连接线时不能拽拉导线部分。
3）发现异常情况要立即报告老师。
4）与本次训练无关的仪器和仪表不要乱动。
5）训练结束要进行整理、清理等7S活动。
6．训练步骤
1）按实验台操作要求开启实验台电源。
2）打开实验台直流恒压电源开关，调节UA旋钮，使UA=6V；调节UB旋钮，使UB=12V。
3）利用HE-12实验箱上的“基尔霍夫定律/叠加原理”电路，按图1-15接线。U1两端接UA，U2两端接UB。
4）取出电流测量专用连接线，将直流电流表串入相应支路进行电流测量，数据记入表1-5中。测试完毕，从HE-12实验箱上拨出电流测量专用连接线，从实验台上将电流测量专用连接线另两端从电流表上拔下，将电流测量专用连接线收置。
图1-15 电压及电流测量电路图
5）取两根普通的连接线，将直流电压表两端并联接在相应的节点上进行电压测量，数据记入表1-5中。
6）训练结束，关闭直流电压源开关及实验台总电源，连接线及实验箱归位。
表1-5 电压及电流测量数据
7．巡回指导要点
1）指导学生正确调节实验台电源。
2）指导学生正确使用电流测量专用连接线。
3）监督学生是否带电操作，促使养成断电操作的习惯。
8．训练效果评价标准
1）以正确的方法完成电路的连接（20分）。
2）正确完成直流电流及直流电压的测量（60分）。
3）训练过程中能文明操作（10分）。
4）“7S”执行情况（10分）。
9．分析与及思考
1）如何通过测量结果求出各元件的功率及电路总的功率？
2）如何判断两电源在电路中的作用？