電路分析課程中有關電路元件電功率教學問題的探討

摘 要:在進行電路設計分析時，構成電路元件的能量分析計算是電路分析的主要目的。因此，在教學過程中，電路元件的電功率分析計算是電路分析課程的教學重點之一。但在教學過程中，學生對于功率計算問題的理解一般都存在一定的困難。本文首先探討了電路中吸收電功率和發出電功率的概念，并以電路分析過程中兩個重要物理量電壓和電流的方向假設表征為出發點，從理論與實際、假設與實際的角度論述了電路元件中電功率的的物理本質，強調了在教與學的過程中，理解掌握應用電功率計算公式時應該注意的基本問題。

關鍵詞:電路分析 電路元件 電功率

中圖分類號:G613文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)01(a)-0138-02

電路分析課程以高等數學為工具，在大學物理課電學知識的基礎上，以直流、交流穩態及暫態電路為主要研究對象，通過對電路系統建立物理模型和列寫數學方程式的方式進行電路的分析與計算。該課程是高等院校理工科各專業學生必修的第一門專業基礎課，是后續專業基礎課和專業課的基礎，在人才培養中起著十分重要的作用。因而學好本課程對今后的學習與工作具有非常重要的意義。

在電路的分析和計算中，功率的計算是十分重要的。這是因為一方面電路在工作狀態下總伴隨有電能與其他形式能量的相互交換;另一方面，電氣設備、電路部件本身都有功率的限制，在使用時要注意其電流值或電壓值是否超過額定值，超載會使設備或部件損壞，或不能正常工作。故在進行電路分析時，構成電路元器件的能量分析計算是電路分析的主要目的。但在教學過程中，學生對于電功率計算問題的理解一般都存在一定的困難，其原因在于不能正確理解電路元件電功率計算表達式的定義與電路元件實際電功率之間的關系。而電功率的分析計算是與元器件的電壓和電流密切相關，如何理解它們之間的相互聯系是正確理解計算功率的前提條件。因此，認識了解電路中分析中的電壓與電流的定義及表征，對于功率的計算與分析具有非常重要的意義。本文從物理學的角度認真探討了電功率的概念，并以電路分析過程中兩個重要物理量電壓和電流的方向假設表征為出發點，從理論與實際、假設與實際的角度論述了電路元件中電功率的的物理本質，強調了在教與學的過程中，理解掌握應用功率計算公式時應該注意的基本問題，這些基本知識，對于學生學習和教師教學具有非常重要的意義。

1 電功率的概念

在物理學中，功率(英語:power)是指單位時間內做功的大小或能量轉換的大小。電功率和機械功率都是表示做功快慢的物理量，只不過電功率是用來表示消耗電能的快慢的物理量，它是指電流在單位時間(dt)內做的功(dW)。用P表示，它的單位是瓦特(Watt)，簡稱瓦，符號是W。

(1)

電流通過電路元件時，必然產生能量轉換，電流在電路元件中所做的功為正時，表明電路元件吸收能量，把電能轉化為其它形式的能量(熱能或機械能);電流在電路元件所做的功為負時，表明電路元件或設備發出能量，把其它形式的能量轉化為電能。這里可以通過圖1所示的手電筒燈泡發光工作原理說明。

在這一電路中，當開關閉合后，手電筒燈泡發光，其中電流通過燈泡時，所做的功為正，此時把電能轉化為熱能，表明燈泡吸收能量;同時，電流通過電池時，所做的功為負，此時電池儲存的化學能轉化為電能，表明電池發出能量。

故電功率所表示的物理意義是電路元件在單位時間內吸收或發出的電能。如電氣設備上標示的額定電功率，表征了該設備本身能量轉換的本領:例如額定值為“220V、1000W”的電動機，是指該電動機運行在220V電壓時、1秒鐘內可將1000焦耳的電能轉換成機械能和熱能;“220V、40W”的電燈，表明該燈在220V電壓下工作時，1秒鐘內可將40焦耳的電能轉換成光能和熱能。

上述表明，在電路中有的電路元件是發出電功率，有的電路元件是吸收電功率。故在電路分析中，電路元件的電功率具有發出或吸收的真實物理意義，必須在分析計算時認識清楚。

2 電功率與電壓和電流參考方向的關系

在實際工程中，電路元件或設備的電功率可以使用瓦特表直接測量出來。在理論計算時，由電功率的變換公式(2)可以計算出電路元件或設備的電功率。

(2)

公式(2)表明電功率的分析計算是與電路元件的電壓(u)和電流(i)的分析計算密切相關，而在電路中，電壓和電流屬于有大小和方向的物理量，因此電功率的大小由電壓和電流的大小可以計算出，但屬于吸收還是發出的電能，則由電壓和電流的方向來確定。在實際中，電壓和電流的實際方向即指它們的真實方向，是客觀存在，電流的實際方向定義為正電荷流動方向;而電壓的實際方向定義為高電位指向低電位的方向。

在圖1的工作電路中，電流的實際方向是由電池的正極流出，經過導線、開關、燈泡、導線，最后流回電池負極。而燈泡兩端的電壓實際方向(高電位指向低電位)與流過燈泡的電流方向一致，在這種情形下，燈泡是吸收電能。對于電池，電池兩端的電壓的實際方向(高電位指向低電位)與流過電池的電流方向(低電位指向高電位)相反，電池是發出電能。

上述表明，在實際電路中，如果電路元件的電壓和電流的真實方向相同，則該電路元件吸收電功率，如果電路元件的電壓和電流的真實方向相反，則該電路元件發出電功率。

但在電路理論分析中，由于不可能用電壓表和電流表來測量電壓和電流的真實方向，故不知道電壓和電流的真實方向，在分析和計算電路時，一般是按照人們的主觀想象，在電路圖中標出一個假設的電壓、電流方向，這就是參考方向。

參考方向提供了電路中電路元件的電壓和電流，所遵從的基爾霍夫定律的電壓、電流方程中各量前面正、負號確定的依據。對方程求解的結果，若電壓和電流得正值，說明標定的電壓和電流參考方向與電壓和電流的實際方向相符;若方程求解的結果是負值，則說明假定的參考方向與實際方向相反。因此，計算公式(2)中的電功率實際情況(吸收還是發出)，不能由假設的電壓和電流的參考方向提供依據，而必須由電壓和電流的真實方向提供。

在電路分析中，所有的分析計算都是以假設的電流和電壓的參考方向為前提條件。在此假設的前提條件下，公式(2)中的電功率計算表達式同樣給出與實際情況相似的假設，即如果假設電路元件的電流和電壓的參考方向相同(關聯方向)，則公式(2)算出的電功率屬于吸收;如果假設電路元件的電流和電壓的參考方向相反(非關聯方向)，則公式(2)算出的電功率屬于發出。

但公式(2)中的電功率的實際物理意義則由其計算出的正負號確定，即如果假設電功率屬于吸收，而且計算出的電功率是正值，說明假設與實際相符;反之，說明假設與實際相符，電功率實際屬于吸收。同理，如果假設電功率屬于發出，而且計算出的電功率是正值，說明假設與實際相符;反之，說明假設與實際相符，電功率實際屬于吸收。

上述假設與實際的關系可以用下圖2表示。

由圖2可知，電路理論分析是在假設的前提下進行，其分析計算的電功率給出的僅是相對于電壓和電流的參考方向所得到的結論，而其真實的物理意義則由計算的正負號確定，“正”號與假設一致，“負”號與假設相反，而其假設則是來源于與電壓和電流的真實方向相對應的實際情況。

3 結語

實踐教學中證明，如果教師和學生能從本質上認清電功率的實際與理論計算內容之間的相互聯系及區別，在教與學的過程中針對這兩部份內容、特點和聯系進行教學，則可降低該課程的教學難度，學生能從實際和假設、理論和實際上來掌握該電功率的概念，取到良好的教學效果。而且這部份內容強調了在電路分析和計算中，參考方向的概念十分重要，如果在計算分析電路時不標示電壓、電流的參考方向，電路分析中各量的正、負就沒有明確的物理意義，為學生進一步學習該課程，打下堅實的基礎。

參考文獻

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