实验2 一阶电路的过渡过程.doc

实验实验 2 2 一阶电路的过渡过程一阶电路的过渡过程实验 2.1 电容器的充电和放电一、实验目的一、实验目的 1.充电时电容器两端电压的变化为时间函数，画出充电电压曲线图 2.放电时电容器两端电压的变化为时间函数，画出放电电压曲线图 3.电容器充电电流的变化为时间函数，画出充电电流曲线图 4.电容器放电电流的变化为时间函数，画出放电电流的曲线图 5.测量 RC 电路的时间常数并比较测量值与计算值 6.研究 R 和 C 的变化对 RC 电路时间常数的影响 二、实验器材二、实验器材 双踪示波器 1 台 信号发生器 1 台 0.1µF 和 0.2µF 电容 各 1 个 1KΩ 和 2KΩ 电阻 各 1 个 三、实验准备三、实验准备 在图 2-1 和图 2-2 所示的 RC 电路中，时间常数 τ 可以用电阻 R 和电容 C 的 乘机来计算因此 τ=R C图 2-1 电容器的充电电压和放电电压 在电容器充电和放电的过程中电压和电流都会发生变化，只要在充电或放电 曲线图上确定产生总量变化 63 %所需要的时间，就能测出时间常数。

用电容器充电电压曲线图测量时间常数的另一种方法是，假定在整个充电期 间电容器两端的电压以充电时的速率持续增加，当增大到充满电的电压值时， 这个时间间隔就等于时间常数或者用电容器放电电压曲线图来测量，假定在 整个放电期间电容器两端的电压以初放电时的速率持续减少，当减少到零时， 这个时间间隔也等于时间常数 在图 2-2 中流过电阻 R 的电流 IR 与流过电容器的电流 IC 相同，这个电流可 用电阻两端的电压 VR 除以电阻 R 来计算因此IR=Ic=VR/R图 2-2 电容器的充电电流和放电电流 四、实验步骤四、实验步骤 1.在电子平台上建立如图 2-1 所示的实验电路，信号发生器和示波器的设置 可照图进行示波器屏幕上的红色曲线是信号发生器输出的方波信号发生器 的输出电压在+5V 与 0 之间摆动，模拟直流电压源输出+5V 电压与短路当输出 电压为+5V 时电容器将通过电阻 R 充电当电压为 0 对地短路时，电容器将通 过电阻 R 放电蓝色曲线显示电容器两端电压 Vab 随时间变化的情况在下面 V-T 坐标上画出电容电压 Vab 随时间变化的曲线图作图时注意区分充电电压 曲线和放电电压曲线。

0TV2.用曲线图测量 RC 电路的时间常数 τ3．根据图 2-1 所示的 R,C 元件值，计算 RC 电路的时间常数 τ 4．在电子工作平台上建立如图 2-2 所示的实验电路，信号发生器和示波器 按图设置单击仿真电源开关，激活实验电路，进行动态分析示波器屏幕上 的红色曲线为信号发生器输出的方波方波电压在+5V 和 0V 之间摆动，模拟直 流电源电压为+5V 与短路当信号电压为+5V 时，电容器通过电阻 R 放电当信 号电压为 0V 对地短路时，电容器通过电阻 R 放电蓝色曲线表示电阻两端的电 压与时间的函数关系，这个电压与电容电流成正比在下面的 V-T 坐标上画出 电阻(电容电流)随时间变化的曲线图作图时注意区分电容的充电曲线和放电 曲线 V0T5.根据 R 的电阻值和曲线图的电压读数，计算开始充电时的电容电流 Ic.6．根据 R 的电阻值和曲线图的电压读数，计算开始放电时的电容电流 Ic.7．用曲线图测量 RC 电路的时间常数 τ8.将 R 改为 2KΩ单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析用曲线图测 量新的时间常数 τ 9.根据新的电阻值 R，计算图 2-2 所示的 RC 电路的新时间常数 τ。

10.将 C 改为 0.2µF,信号发生器的频率改为 500HZ单击仿真电源开关，激 活电路进行动态分析从曲线图测量新的时间常数 τ 11.根据 R 和 C 的新值，计算图 2-2 所示的 RC 电路的新时间常数 τ 五、思考与分析五、思考与分析 1.在步骤 1 中，当充满电后电容器两端的电压 Vab 有多大？与电源电压比较 情况如何？放完电后电容器两端的电压 Vab 是多少？2.在步骤 2，3 追踪时间常数 τ 的测量值与计算值比较情况如何？3.充满电后流过电容器的电流是多少？4.步骤 7 中时间常数的测量值与步骤 3 中的计算值比较情况如何？5.改变 R 的阻值对时间常数有什么影响？6.改变 C 的容量对时间常数有什么影响？实验 2.2 电感中的过渡过程一、实验目的一、实验目的 1.当电感中的电流增大时确定电感电流随时间变化的曲线图 2.当电感中的电流减小时确定电感电流随时间变化的曲线图 3.当电感中的电流增大时确定电感两端的电压随时间变化的曲线图 4.当电感中的电流减小时确定电感两端的电压随时间变化的曲线图 5.测量 RL 电路的时间常数并比较测量值和计算值 6.研究 R 和 L 元件值变化时对 RL 电路时间常数产生的影响。

二、实验器材二、实验器材 双踪示波器 1 台 信号发生器 1 台 100mH,200mH 电感 各 1 个 1KΩ,2KΩ 电阻 各 1 个 三、实验准备三、实验准备 在图 2-3 中电阻 R 中的电流 iR 与电感电流 iL 相同这个电流可用电阻两端 的电压 VR 除以电阻 R 来计算，所以 iL=iR=VR/R 在电感中，感应电压 VL 与电感电流的变化率成正比因此 VL=L(di/dt) 在图 2-3 所示的电路中，当电感电流达到静态时，di/d=0，电感两端的感应 电压 VL=L(di/dt)=L(0)=0 这就是说，电感电流处于静态时电感看上去好象短路一样，而电源电压将全 部加到电阻 R 的两端因此，电感中的静态电流 IL，可由下式求出 V=ILR+VL=ILR+0=ILR IL=V/R 其中，V=+10V。

在图 2-4 所示的 RL 电路中，当电感电流增加时 di/dt 为正，则电感两端的 感应电压也为正；当电感电流减小时 di/dt 为负，则感应电压也为负当电感 电流 IL 刚刚开始增大时电感两端的感应电压最大在这一时刻电流 IL为 0图 2-3 电感中的暂态电流图 2-4 电感中的暂态电压 当电流为 0 时的电阻 R 两端的电压VR=(IL)R=(0)R=0 而电感两端的电压可由下式求出V=VR+VL=0+VL=VL=10V 在图 2-3 和图 2-4 中电路的时间常数 τ 可用电感值 L 电阻值 R 来计算由 此，τ=L/R 从曲线图上确定电感电压或电流变化全程的三分之二所需要的时间可测出 RL电路的时间常数从电感电流曲线图测量时间常数的另一种方法是，假定在整 个电流变化期间电感电流都以最初的速率继续增大，则从开始到最后达到稳定 值所需要的时间就等于时间常数 四、实验步骤四、实验步骤 1.在电子工作平台上建立如图 2-3 所示的实验电路，信号发生器和示波器的 设置可按图进行单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析在示波器的屏 幕上红色曲线为信号发生器的方波输出，输出电压在+10V 和 0V 之间跳变，模 拟加+10V 直流电压与短路。

当信号电压为+10V 时，电感电流将增加直至达到最 大静态值当信号电压为 0 时相当于对地短路，电感电流将减小直至达到 0 屏幕上蓝色曲线表示电阻 R 两端的电压与时间的函数关系，这个电压与电感电 流成正比在下面的 V-T 坐标上作出电阻电压（电感电流）的曲线图，作图时 要注意区分代表电感电流增大的部分和电感电流减小的部分 V0T2.根据 R 的阻值和曲线图电压读数，计算达到最大稳态时的电感电流 IL3.根据 R 的阻值和+10V 信号输出电压，计算达到最大稳态时的电感电流 IL4.从曲线图测量 RL 电路的时间常数 τ.5.根据图 2-3 中 R 和 L 的元件值，计算 RL 电路的时间常数 τ6．子工作平台上建立如图 2-4 所示的实验电路，按图 2-3 对信号发生器和 示波器进行设置单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析在示波器屏幕 上，红色曲线表示信号发生器的方波输出，信号电压在+10V 和 0V 之间跳变， 模拟加+10V 直流电压与短路当信号电压跳变到+10V 时，电感电流将增加直至 达到最大静态值，电感电流达到静态后将使电感电压降为 0当信号电压跳变 到 0 对地短路时，电感电流将减小直至达到 0，电感电流到 0 后将引起电感电 压变负，变小。

屏幕上蓝色曲线表示电感两端的电压 Vab 与时间的函数关系 在下面的 V-T 坐标上画出电感电压 Vab 的曲图，作图时注意区分电感电流增加 时的电压曲线和电感电流减小时的电压曲线 V0T7.从曲线图测量 RL 电路的时间常数 τ8.将改为 2kΩ,单击仿真电源开关，再次激活电路进行动态分析从曲线图 测量新的时间常熟 τ 9．根据 R 的新阻值，计算图 2-4 所示的 RL 电路的新时间常数 τ 10.将 L 改为 200mH，单击仿真电源开关，再次激活电路进行动态分析，从曲 线图测量新的时间常数 τ 11．根据 R 和 L 的新值，计算图 2-4 所示的 RL 电路新的时间常数 τ 五、思考与分析五、思考与分析 1．步骤 1,2 中电感的最大静态电流测量值与步骤 3 中的计算值比较,情况如 何?2．步骤 5 中时间常数 τ 的计算值与步骤 4 中的测量值比较,情况如何?电感 电流达到最大静态值需要几倍时间常数?3．在步骤 6 中当电感电流增大时最大电感电压是多少?当电感电流减小时最 大电感电压是多少?为什么是负值?最小电感电压 Vab 是多少?4．步骤 7 中时间常数的测量与步骤 5 中的计算值比较,情况如何?为什么电 感电流和电感电压具有相同的时间常数值。

5．改变 R 的阻值对时间常数有什么影响？6．改变 L 的元件值对时间常数有什么影响？。