電類專業學生在電路分析計算方面存在的問題及對策

在電類專業教學中，許多學生感到電類知識難懂難學，面對電路圖的分析或計算常常摸不著頭腦，不知如何分析。通過多年的教學，我發現許多學生對于一些基本物理量的意義理解不透徹，或模糊不清或概念混淆。因而不能靈活運用，舉一反三，大大影響了分析電路問題的能力。通過一些常見的問題對此加以分析和討論。

一、 電位與電壓、電動勢的概念

在講述二極管的正向偏置時，對二極管的正偏與反偏做過講解之后，為檢驗學生對它們的理解，我畫了一個圖，如圖1所示，問學生此時二極管為何種偏置？學生幾乎異口同聲答出“此為正偏”。因為它符合教材所說的“陽極接電源正極，陰極接電源負極”的說法。我再畫一個圖，如圖2所示，許多學生開始不知所措了：“怎么會有負值呢？”“電源正極在哪里？”我意識到應立即給學生強調電壓、電位及電動勢的概念。在復習了這幾個概念之后，我又將二極管的正向偏置與反向偏置做補充解釋：所謂正偏，即陽極接高電位，陰極接低電位，當接上電源時，即陽極接電源正極，陰極接電源負極；反偏則接法相反。在一些電路圖中常常免畫電源符號，在圖2中，A點電位為負值，即-2V，B點電位為正值，即1V，由于A點電位低，B點電位高，故二極管為反偏，且A與B間電壓為UAB＝VA－VB＝3V，因此若畫上電源符號則等效圖如圖3所示。根據電源的接法也說明二極管為反偏。A點電位為負值，說明該點電位比所設參考點的電位低，當所設參考點改變時，某點的電位值也發生變化，具有相對性；而電壓是任意兩點電位之差，不隨參考點的改變而改變，具有絕對性。一個電動勢為3V的電源，其開路時，電源正極端的電位比負極端的電位高3V。一個小小的電路圖蘊涵了對三個物理量的理解，可見只有對電壓、電位、電動勢的充分理解，方能在分析具體問題抓住要點，得出正確的結論。

二、 回路電壓定律的運用

此定律表達式有兩種，即∑E=∑IR和∑U=0。有不少同學在列方程式時，不能確定正負號，甚至不能理解這兩個表達式，或者相互混用。在講解這個內容時，我要求學生嚴格按照步驟去列方程，并分別列寫∑E=∑IR的步驟及∑U=0的步驟，讓同學們加以比較，找出區別。

當以∑E=∑IR列方程時，步驟如下:

(1)標出各電阻上電流參考方向；(2)標出回路的繞行方向(一般與電動勢正方向相同)；(3)若各電源電動勢方向(負極指向正極)與回路繞行方向一致，則取正，不一致則取負，求其代數和，并寫在等號左側；(4)若各電阻元件上電壓方向(與所設電流參考方向相同)與回路繞行方向一致，則取正，不一致則取負，求代數和并寫在等號右側。

若以∑U=0列方程時，其步驟為：(1)、(2)兩步同上；(3)若該回路中各元件(包括電源，而電源電壓方向為正極指向負極)電壓方向(正指向負)與回路繞行方向一致，則取正，不一致則取負，求其代數和。

比較兩種表達式列步驟，其關鍵之處在于電源，一個是看電源電動勢的方向(負極指向正極)，一個是看電源電壓方向(正極指向負極)，是否與回路繞行方向一致。熟練掌握回路電壓方程的列寫步驟并加以正確運用，回路電壓的計算便可迎刃而解。

同樣運用回路電壓定律并理解了電位的概念，便可求取某點電位。基本方法為：(1)選取某點到參考點的一條路徑，(通常選最短路徑)作為繞行方向，即某點指向參考點的方向。(2)該方向上各元件電壓方向與繞行方向一致者取正，不一致者取負，求其代數和，即為該點的電位。

三、 電流參考方向的理解

曾經有學生問：參考方向與實際方向是怎么回事？為何要設參考方向？在回答這個問題之前，我先舉了一些生活中的實例。比如，當你走到一個交叉路口時，如果你忘記應該去哪個方向時，可以做一個假設，然后按假設的方向尋找，當不能找到時，才知道實際方向與假設方向相反，自然就會調轉方向，直至找到。在電路中，當某段支路電流方向或電壓方向未知時，則同樣需要設立一個參考方向，然后按此參考方向進行分析，按定律列方程求解。當計算結果為正時，則說明實際方向與參考方向一致；而結果為負時，則說明實際方向與參考方向相反。因此，在設立參考方向時，可以任意假定。如果不設立參考方向，則不能進行下一步的分析，變得無從著手。在設立參考方向時，應注意的問題是：(1)某段電阻上所設電壓的參考方向應與該段上所設電流參考方向一致。即做到對同一元件電壓與電流參考方向一致。否則將出現負號，給計算帶來不便。如圖4所示，若設電壓參考方向為A指向B，則電阻R上電流參考方向也要設為A指向B，根據歐姆定律，則有UAB=IR，若電流與電壓參考方向相反，則有UAB=-IR，如圖5所示。(2)雖然參考方向的設定是任意的，但最好預測其實際方向，做到參考方向與實際方向盡量一致，則在計算過程中將會減少負號的出現，減少負號在計算過程的麻煩。

四、 電路元件的連接關系

學會對混聯電路的整理，在電路分析中也是非常重要的。在理解電阻串聯與并聯時，要嚴格按教材所給定義去理解，并掌握各自的特點。對于串聯，其特點是各元件流過相同的電流；對于并聯，其特點是各元件承受相同的電壓。對于混聯電路的整理通常采用“節點命名法”，其步驟如下：(1)在原圖中給每一連接點命名一個字母，但以同一導線相連的各連接點只用同一字母；(2)將各字母按順序在水平方向排列(待求的字母應放在兩端)；(3)將各電阻依次填入對應的字母之間。現舉例如下：試求圖6所示電路AB間的等效電阻。其整理過程如下：(1)命名各點字母如圖所示；(2)分別標出A、B點，注意同一導線連接的各點只能標上同一字母；(3)將R1至R7依次填入對應的連接點間；R1和R5在A、C之間；R2和R6在C、D之間；R3和R7在D、B之間；R4在A、B之間。如圖7所示。

五、 交流電的最大值、有效值及瞬時值

從直流電的學習過渡到交流電，由于慣性思維，導致學生對交流電概念認識不清。在教學中應注意的問題：(1)務必給學生講清直流電的電壓、電流是恒穩的，都不隨時間而改變，要描述直流電，只用電壓和電流兩個物理量就夠了。交流電則不然，它的電壓、電流的大小、方向都隨時間做周期性的變化，比直流電復雜，因此，要描述交流電，需要的物理量較多。(2)通過圖形法，給學生講清直流電是恒穩的，交流電的大小、方向是隨時間變化的，如圖8、圖9。

(3)講清各物理量所表示的含義。最大值是表示交流電的電流強弱或電壓高低，在實際中有重要意義。例如，把電容器接在交流電路中，就需要知道交流電壓的最大值，電容器所能承受的電壓要高于交流電壓的最大值，否則電容器可能被擊穿。但它不適于用來表示交流電產生的效果，因為它在一個周期內僅出現兩次。因此，在實際工作中通常用有效值表示交流電大小，即讓交流電和直流電分別通過阻值一樣的電阻，若它所在同一時間內產生的熱量相等，就把這一直流電的數值叫做這一交流電的有效值。例如，在同一時間內，某一交流電通過一段電阻產生的熱量，跟3A的直流電通過阻值相同的另一電阻產生的熱量相等，那么，這一交流電的有效值就是3A。最后啟發學生對瞬時值的理解。

總之，技校《電工基礎》課的教學目的，是使學生比較系統地掌握電工基本理論、基本知識和基本技能。在教學中，應使學生深刻理解基本概念，牢固掌握基本規律，才能正確、熟練地進行電路的分析計算，才能運用電路模型來解決實際的電路問題。