作者：薛克範
**：《職業·下旬》2023年第01期
在《電工基礎》課的教學中,概念難點的教學方法是很重要的。筆者在多年教學中發現,學生較難把握的難點有以下幾個概念。
一、電壓的正負和電壓的實際方向與參考方向的關係
在《電工基礎》教學中,電壓的正負與電壓的實際方向及參考方向是密切相關的。電壓之所以有正與負的區別,是因為需要用乙個帶「+」、「-」符號的數字將電壓的大小及方向表示出來,帶符號的數字的絕對值表示電壓的大小,「+」、「-」符號表示電壓的方向。
為了使學生徹底弄清楚電壓的正負與電壓的實際方向及參考方向的關係,筆者在教學中是這樣向學生解釋的:電壓不僅有大小,而且有方向。一般規定電壓的方向(即實際方向)由高電位指向低電位,也就是電位降的方向。
電壓的參考方向有三種假定方法:第一種方法是用箭頭在圖中表示出來,如圖1a所示;第二種方法用極性符號表示,即參考方向由正指向負,如圖1b所示;第三種方法是用雙下標字母表示,如uab,表示電壓的參考方向假定為由第乙個下標字母a指向第二個下標字母b,如圖1c所示。
電壓的正負,是由電壓的實際方向與參考方向是相同或相反來決定的。當採用uab表示時,如圖2a所示,參考方向由a指向b,實際方向由高電位點a指向低電位點b,則實際方向與參考方向相同。此時uab=ua-ub>0,電壓是正值,而且由第乙個下標a繞至第二個下標b,電位是降低的,也就是說沿繞行方向電位降低時電壓取正值。
通過以上形象而具體的畫圖舉例分析,就可以自然而然地概括出結論:要用乙個帶符號的數字將電壓的大小和方向表示出來,首先必須假定電壓的參考方向。
二、電動勢與端電壓、內電壓的區分
學生在建立電動勢概念時,對於電動勢與端電壓、內電壓的區分比較模糊,而理解這些物理量對歐姆定律的教學和解決電路計算問題十分重要。
1.要使學生明確電動勢的概念
電動勢是由電源本身性質決定的。它指的是在電源內部,非電場力將單位正電荷從負極移到正極所做功的本領的大小。電動勢是反映電源將其他形式的能轉換成電能的能力,與外電路無關。
電動勢的方向是由電源的負極指向正極,與電壓方向從高電位指向低電位的概念不同。電動勢的大小與內阻在電路中是保持恆定不變的。
2.結合典型電路對學生進行啟發式教學
學生仔細觀察下面圖3中a、b、c三個電路,對照電路圖講解:電壓表測量的均為電源兩端的電壓,即端電壓。
當電路是通路、短路還是斷路時,端電壓大小是變化的,它隨外電路負載電阻、電路中的電流大小變化而變化。再結合電源的外特性曲線(圖4)進一步講解:端電壓隨電流的增大線性減小,端電壓隨外電阻的增大而增大。
另外,需要對學生講明,若外電路的負載不是純電阻r,而是電動機、電解槽等,則端電壓u≠ir,但u=e-ir仍成立。當通過電源的電流i=0時,如外電路斷路時,內電壓為0,u=e。同時,要說明在電源充電時,端電壓等於電動勢加內電壓,即u=e+ir。
在此基礎上啟發學生進行總結:在通路狀態下,端電壓隨外電阻的增大而增大,隨外電阻的減小而減小;在斷路狀態下,端電壓等於電源電動勢,此時內電壓為零;在短路狀態下,端電壓等於零,內電壓等於電源的電動勢,即i=e/r,u內=e。
三、複雜直流電路的等效變換
在電路分析中,如何對電路進行合理的等效變換,是困擾學生的又乙個難點問題。
1.建立電路等效變換的概念
要使學生正確理解電路的等效變換,必須正確建立等效變換的概念。明確等效就是在一定條件下,兩種不同的電路在某些方面具有相同的效果。例如,電壓源與電流源的等效變換是指兩個電路的外特性,即兩個電路對應端的電流、電壓關係完全相同。
如果在兩個電路端的對應端施加相同的電流源,則兩個電路各自對應端間的電壓應該相等。如下圖5虛線框內所示的電壓源和電流源,它們兩個的內部結構完全不同,若它們兩端分別向同乙個負載rl供電時,都能提供相同的電壓、電流和功率,對於負載rl而言,無論是哪一種電源供電,其結果都是一樣的,它們對外電路的作用等效,兩個電源對外電路所起的作用相同,所以說這兩個電源是等效的,或者說這兩個電路是等效的。理解了電源或電路等效的含義以後,教師就可以向學生講解建立電路等效變換的概念。
電路等效變換是指電路的一部分變換成另一種結構形式而能保持任意未改變部分各處電壓電流不變。
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