三种电路分析方法教学中应注意的问题_蒋林.pdf

2023 年 6 月伊犁师范大学学报（自然科学版）Jun.2023第 17 卷 第 2 期Journal of Yili Normal University（Natural Science Edition）Vol.17 No.2三种电路分析方法教学中应注意的问题蒋林1，王彦同1，石雁祥1，2*（1.伊犁师范大学 电子与工程学院，新疆 伊宁835000；2.伊犁师范大学 信号检测与控制技术重点实验室，新疆 伊宁835000）摘要：“电路分析”课程是高等学校电类各专业本科生的重要基础课.教学过程中，可以将支路电流法、网孔电流法和结点电压法作为电路分析的3种重点方法，以精心选择的例题依次引入，先由基尔霍夫定律引入支路电流法，再以支路电流法为基础通过例题导出网孔电流法和结点电压法.此外，在列写网孔电流方程和结点电压方程时，对于一些疑难问题可用支路电流法给予解释.通过选择在3种分析方法中关联性较强的例题，让学生深切感受到知识体系中的逻辑关联性，培养学生的理论素养和严谨的思维习惯，提高学生分析问题和解决问题的能力.关键词：电路分析；三种分析方法；逻辑关联性；思维习惯；理论素养中图分类号：G642.1文献标识码：A文章编号：2097-0552（2023）02-0071-060引言引言“电路分析”课程是高等学校电类各专业本科生的重要基础课.该课程不仅要为学生学习后续课程打好基础，也要能使学生通过电路理论解决实践过程中遇到的一些具体问题.电路分析过程中，支路电流法、网孔电流法和结点电压法是常用的3种分析方法1-4.只有使学生熟练掌握这3种分析方法，从基本的支路电流法出发，对网孔电流法和结点电压法产生进一步的理解，强调教学内容前后逻辑上的衔接关系以及循序渐进的教学过程，达到层层递进的效果，才能培养学生的理论素养和严谨的思维习惯，有效提升学生分析问题的能力，以及举一反三、灵活运用所学知识解决实际问题的能力.为此在教学中需要注意以下问题：1教学内容的引入问题教学内容的引入问题图1是3种电路分析方法教学内容引入的流程图.图 1教学引入流程图在由支路电流法列写KCL与KVL方程时，首先要引导学生注意，对绕行方向（即顺时针或逆时针绕行）收稿日期：2022-05-14基金项目：伊犁师范大学教育教学改革项目（YSYB2022140）.作者简介：蒋林（1989），女，河南焦作人，副教授，研究方向：复杂介质的特性研究.*通信作者：石雁祥（1963），男，教授，博士，研究方向：复杂系统中的信号传输与可控性.伊犁师范大学学报（自然科学版）2023年以及对电压升降正负的规定（即规定电压升为正、降为负或做相反的规定）时，电路方程的表现形式可以不同，但列出的方程最后都可化为一致的形式；同时还要向学生强调，在列写同一个回路电压方程时，对电压升降正负的规定要一致，不能中途改变.为方便后续教学，在列写方程时，可对绕行方向以及电压升降的正负做统一规定.另一个需要学生重点掌握的是，参考方向、参考极性和关联方向这一套符号系统，这可通过选择针对性的例题让学生明白参考方向、参考极性不同，元器件伏安关系的表达式可能不同，但统一按照绕行方向及电压升降正负的规定列方程，所列写方程的表达式最后都是一致的.熟练掌握这一套符号系统，一是能为网孔电流法和结点电压法的教学做好铺垫，帮助学生今后能以清晰的思路和正确的分析方法解决一些复杂的电路问题；更为重要的是，让学生逐步建立起严密的逻辑思维体系，养成良好的思维习惯，提升其理论素养，这是理论课教学中需要重点加强的.在学生基本掌握列写支路电流方程的方法后，引入图2（a）所示例题，图2（a）包含4个结点、3个网孔.通过这一类习题一方面可加强学生对支路电流法的认识，另一方面也可为引入网孔电流法和结点电压法做好铺垫.R1R2R3R4R5US1US2US3IS+-+-I1I2 I3I4I5 U1I6R1R2R3R4R5US1US2US3IS+-+-I1I2 I3I5 U1 IC I4 Ia IbI6 图 2（a）支路电流法求解电路图图 2（b）网孔电流法和结点电压法求解电路图该例题给出的支路电流方程如（1）（6）式：I1+I2+I6=0，（1）I2=I3+I4，（2）I5=I6+I4，（3）-R1I1+R2I2+R3I3-Us2-Us1=0，（4）R4I4+R5I5+Us3-R3I3+Us2=0，（5）U1-R4I4-R2I2=0.（6）这是一个六元一次方程，求解比较困难.通过同类型的习题，让学生在练习的过程中，一方面熟悉支路电流法中的符号系统对方程形式的影响，另一方面让学生理解对参考极性、参考方向的规定；虽然会改变方程的形式，但不会改变计算结果.此外，需要在列写方程时，指出支路电流法方程数较多，不宜求解，为使得方程容易求解，可以采用新的方法，由此引入网孔电流法和结点电压法.图2（a）中，可用网孔电流表示支路电流，如图2（b），即I1=-Ia,I2=Ia-Ic,I3=Ia-Ib,I4=Ib-Ic,I5=Ib,I6=Ic.（7）代入支路电流方程（4）（6）式中，整理得网孔电流方程如（8）（10）式：(R1+R2+R3)Ia-R2Ic-R3Ib=Us1+Us2，（8）72蒋林等：三种电路分析方法教学中应注意的问题第2期(R3+R4+R5)Ib-R3Ia-R4Ic=-Us3-Us2，（9）(R2+R4)Ic-R2Ia-R4Ib=-U1.（10）另外，图2（b）中也可用结点电压表示支路电流，即I1=U1-Us1R1,I2=U1-U2R2,I3=U2+Us2R3，I4=U2-U3R4,I5=U3-Us3R5,I6=Is.代入支路电流方程（1）（3）式中，整理得结点电压方程如（11）（13）式：()1R1+1R2U1-1R2U2=Us1R1-IS，（11）()1R2+1R3+1R4U2-1R2U1-1R4U3=-Us2R3，（12）(1R4+1R5)U3-1R4U2=IS+Us3R5.（13）通过对比，让学生直观地感受到网孔电流和结点电压方程数减少，求解方程也比较简单；更为重要的是列写方程较为方便，培养学生一分为二的辩证思维.要向学生说明，尽管方程数减少，列写方程也变得容易，但方程得到的结果并不是最终结果，最后的支路电流要通过它与网孔电流的关系得到，而支路电压要通过其和结点电位的关系得到.原来可一步解决的问题，现在需要两步.采用什么方法合适，要具体问题具体分析.在此基础上，通过增加和改变独立源和受控源与电阻的连接方式，如无伴电流源和无伴电压源，以及电流源与电阻的串联、电压源与电阻的并联，使习题涉及的问题和类型逐步展开和深入，以此提高学生分析问题和解决问题的能力.2疑难问题疑难问题列网孔电流方程时不考虑与电压源并联的电阻，但要考虑与电流源串联的电阻；而对于结点电压法，列结点电压方程时不考虑与电流源串联的电阻，但要考虑与电压源并联的电阻，初学者对此往往难以理解.为此，可从支路电流法出发给出解释.图3所示电路中，网孔1中分别包含电流源和受控电流源与电阻串联的支路.R1R2R3R4R6US1US2US3IS+-+-I4I6 U1 IC gUx Ia IbI3 R5U2 +-+Ux图 3电流源与电阻串联电路图为从支路电流法出发对上述问题给出解释，用网孔电流表示支路电流，对于网孔1列写KVL方程，即R5Ic+U1+U2+R4(Ic-Ib)-R2(Ia-Ic)=0，（14）73伊犁师范大学学报（自然科学版）2023年整理得(R5+R4+R2)Ic-R2Ia-R4Ib+U1+U2=0.（15）（15）式清楚地表明，列网孔电流方程时，要考虑与电流源和受控电流源串联的电阻.图3中若用结点电压表示支路电流，对于结点3列写KCL方程，则支路电流方程式可写为I3=I4+I6，（16）将I3=Is，I4=gUx，I6=U3-Us3R6代入（16）式，整理得U3R6=Is-gUx+Us3R6.（17）（17）式即为结点电压方程，该方程中明显没有与电流源和受控电流源串联的电阻，这是由支路电流法导出来的结果，初学者一般可以接受.此外，还可以向初学者作出进一步的解释：列结点电压方程时，当支路中有电流源或受控电流源时，通过这一支路流入该结点的电流只与电流源或受控电流源有关，与它们串联的电阻不会影响流入结点的电流大小.这就是为什么可以忽略与电流源和受控电流源串联的电阻的原因.3补充方程问题补充方程问题当电路中有无伴独立源或无伴受控源时，需要列补充方程.对初学者来说，一些比较复杂的问题是，在网孔电流方程或结点电压方程列出后，补充方程有时不能直接给出所列方程中未知量的关系.为此，需要借助一些关系来建立补充方程.图4电路中存在无伴电压源，且电流源和电阻串联.481026V10V0.5I+-+-I4I Ux is3.5A 200.5Ux +-35图 4无伴电压源电路图结点电压方程为()14+2+18u1-18u2=64+2-0.5I，（18）18u2-18u1=3.5+is，（19）135u3=0.5I-is+1035.（20）对初学者来说，图4电路中的补充方程一时不容易列出.为此，需要向初学者强调，在列写结点电压方程时，常常可根据控制量的不同，通过借助控制量与结点电压之间的关系建立补充方程.由图4可以直观看出u2-u3=0.5ux，（21）74蒋林等：三种电路分析方法教学中应注意的问题第2期ux=-0.5I 20=-10I，（22）借助（21）（22）式可以找到补充方程，如（23）（24）式u2-u3=-5I，（23）I=u3-1035.（24）通过以下题型，让学生不断加强练习，掌握寻找控制量、受控量的一些关系列补充方程.图5电路中存在无伴受控电压源，此受控源为电流控制电压源，结点电压法的补充方程为Ix=U1-U2R2，（25）U2-U3=rIx=rU1-U2R2.（26）将图5中的受控源变换为无伴受控电流源如图6，此受控源为电压控制电流源，网孔电流方程法的补充方程为Ux=R2()Ia-Ic,（27）Ic-Ib=gUx=gR2()Ia-Ib.（28）R1R2R3R6US1US2US3IS+-+IC rIx Ia Ib R5Ix +-R1R2R3R6US1US2US3IS+-+IC gUx Ia Ib R5-+Ux图 5受控电压源电路图图 6受控电流源电路图由浅入深，引入图7和图8，强化练习，加深理解，让学生熟练掌握列方程时遇到的疑难问题，以及建立补充方程关系式.R1R2R3R6US1US2US3IS+-+IC uUx Ia Ib R5Ux +-R4 +-R1R2R3R6US1US2US3IS+-+IC rIx Ia Ib R5Ix +-R4图 7电压控制电压源电路图图 8电流控制电压源电路图75伊犁师范大学学报（自然科学版）2023年4小结小结3种基本分析方法是“电路分析”课程中最基本的方法.在教学内容的引入中，注意3种分析方法的逻辑关联性，精心选择3种分析方法中关联性较强的例题，让学生深切感受知识体系中的逻辑关联性，灵活掌握所学的知识.这对培养学生的理论素养和严谨的思维习惯，提高学生分析问题和解决问题的能力是有益的.参考文献：1 邱关源，罗先觉.电路 M.5版.北京：高等教育出版社，2006.2 刘原.电路分析基础 M.4版.北京：电子工业出版社，2020.3 谭永霞.电路分析 M.3版.成都：西南交通大学出版社，2019.4 李瀚荪.电路分析基础 M.5版.北京：高等教育出版社，2017.【责任编辑：张建国】Problems NeedingAttention in the Teaching of Three CircuitAnalysis MethodsJiang Lin1,Wang Yantong1,Shi Yanxiang1,2*（1.College of Electronic and Engineering,Yili Normal University,Yining,Xinjiang 835000,China;2.Signal Detection and ControlTechnology Key Laboratory,Yili Normal University,Yining,Xinjiang 835000,China）Abstract:Circuit analysis is an important basic course for undergraduates majoring in electricity in Colleges and universities.In the teaching process,the branch current method,mesh current method and node voltage method can be taken as three key analysismethods of circuit analysis,and these three analysis methods can be introduced successively with carefully selected examples.Firstly,the branch current method is introduced from Kirchhoffs law,and then the mesh current method and node voltage method arederived through examples based on the branch current method.In addition,some difficult problems can be explained by branchcurrent method when writing mesh current equation and node voltage equation.By selecting examples with strong relevance amongthe three analysis methods,students can deeply feel the logical relevance in the knowledge system,cultivate students theoreticalliteracy and rigorous thinking habits,and improve students ability to analyze and solve problems.Key words:circuit analysis;three kinds of analysis methods;logical relevance;thinking habit;theoretical literacy（上接第54页）Development of Zanamivir PowderAerosolXue Tao1,Huang Leran2,Yang Jianlong3,Zhang Chenglong2,Wu Hengkun2,Yue Yongming2,Wang Zhicheng2,Chang Zhijian2,Li Jiannan2*(1.Quality department,Shenwei pharmaceutical Sichuan Co.,Ltd,Qionglai,Sichuan 611530,China;2.College of Pharmacy,Changchun University of Chinese Medicine,Changchun,Jilin 130117,China;3.Changchun Municipal Food and Drug InspectionCenter,Changchun,Jilin 130000,China)Abstract:The research on the original product of Zanamivir inhalation powder aerosol was conducted by means of observingthe contents of the original product under a microscope,selecting the self-made inhalation device,carrier excipients and capsules,andconfirmingthemicronizationmethodoftheAPI,evaluatingthehygroscopicityoftheAPIandpowderaerosolcontentsbyhygroscopicweight gain,evaluating the fluidity of materials by the angle of repose,conducting pilot production and investigating the stability ofself-madeproducts.Aerolizerwasselectedastheinhalationdevice,importedlactosewasusedasthepowdercarrier,andtheself-madecontent was put into the hypromellose capsule to prepwere the self-made product.The results showed that the particle size of theself-developed API was at least 95%below 5 m,the micro-powdered API and powder aerosol content had no hygroscopicity,theangle of repose of the material met the production requirements,the micro-powdered process and preparation process had no effecton the crystal shape of the product,and the quality and stability of the pilot test sample met the standard requirements.Key words:Zanamivir;API;original research product;inhalation powder fogging agent76