RC串联电路暂态过程的研究实验报告评分标准

精品实验项目调查表实验项目名称：实验项目名称：RC串联电路过渡过程研究填表人信息：填表人信息：姓名填表时间：填表时间2011年月学号日专业填表说明：填表说明：请各位同学对于表格中的项目，以下列五类态度进行评价，并可在备注栏目中说明原因。A完全赞同B比较赞同C一般D部分不同意E完全不同意序号1234567891011调查内容通过本实验的学习加深了对相关物理概念的理解。实验讲义或资料对学习和了解实验内容充分，对我的学习很有帮助。通过实验学习，实验测量和仪器使用等方面的动手能力有很大提高。实验理论课和实验测量课中，教师的讲解和指导给我很大帮助。实验教学手段新颖，适合开放性实验教学。实验教学内容安排合理有序。实验课程能有效调动我参与学习的兴趣和提高创新能力。运用多媒体教学（如Powerpoint）对讲解实验很有帮助。实验仪器设备工作状况良好。实验环境整洁良好。通过实验学习，对物理及相关科学知识的学习兴趣增加。态度备注对本实验项目的心得体会或建议：感谢你完成本项调查表！同济大学物理实验中心普通物理实验室计算机实时测量系列--RC串联电路过渡过程研究实验报告姓名：学号：实验日期：同济大学物理实验中心普通物理实验室实验报告书写说明1.实验报告可在本示例模板上根据个人对本实验的理解进行编辑整理，添加或补充相关资料、数据和图片，并完成数据处理和分析讨论；2.本文档统一用学号命名，例如100000.doc；3.实验报告上交截止日期：完成实验后一周内；4.并请完成文档首页精品实验调查表的填写；5.提交方式：登陆同济大学物理实验中心网站，点击我的课表中选做项目的项目名称，进入该项目的管理界面；点击实验报告作业选项卡，将已完成实验报告上传。同济大学物理实验中心普通物理实验室RC串联电路过渡过程研究实验目的――――――――――――――――――――――――――――――――――1．熟悉并了解计算机实时测量技术，掌握使用ScienceWorkshop设备进行实验测试，利用Datastudio进行数据分析处理的计算方法。2．观察RC电路的暂态过程，理解时间常数τ的意义。3．分别观察RC积分电路、RC微分电路和RC耦合电路，计算时间常数τ。4．观察RC电路的稳态过程，分析比较高通与低通电路相频特性。实验原理――――――――――――――――――――――――――――――――――【实验器材】ScienceWorkShop750接口盒、电压传感器（CI6503）、电流传感器(CI-6556)、实验电路板、电容元件、电阻元件、电感元件、导线。VoltageSensorCI-6503【实验原理】自然界一切事物的运动，在特定条件下处于一种稳定状态，一旦条件改变，就要过渡到另一种新的稳定状态。在电阻和电容或电阻和电感构成的电路中，当电源电压或电流恒定或作周期性变化时，电路中的电压和电流也都是恒定的或按周期性变化。电路的这种状态称为稳定状态，简称稳态。然而这种具有储能元件（L或C）的电路在电路接通、断开，或电路的参数、结构、电源等发生改变时，电路不能从原来的稳态立即达到新的稳态，需要经过一定的时间才能达到。这种电路从一个稳态经过一定时间过渡到另一新的稳态的物理过程称为电路的过渡过程。和稳态相对应，电路的过渡状态称为暂态。而研究电路的过渡过程中电压或电流随时间的变化规律，即在0≤t∞的时间领域内的v（t）、i（t）称之为暂态分析。同济大学物理实验中心普通物理实验室图2RC暂态电路1.ui为幅度为E的阶跃信号1）充电方程：?dUCE?1UC=E(1?eRC)UC=+dtRCRCtt和UR=E?eRCduU充电电流iC=CC=eτt≥0dtR当t=τ时，uC(τ)=U(1?e)=63.2%U，τ表示电容电压uC从初始值上升到?1?t稳态值的63.2%时所需的时间。越大，τ曲线变化越慢，达到稳态时间越长。t=5τuC当时，暂态基本结束，uC达到稳态值。?dUC1+UC=0?UC=E?eRC2）放电方程：dtRCt和UR=?E?e?tRC电容电压uC从初始值按指数规律衰减，衰减的快慢由RC决定。时间常数τ=RC（单位：S），慢，τ越大，变化越慢。当t=τ时，uC=Ue?1=36.800τ称为RC电路的时间常数。决定电路暂态过程变化的快U。所以时间常数等于电容电压衰减到初始值U的36.8%所需的时间。理论上认为t→∞、C→0电路达稳态；工程上认为t=(3~5)τu、uC→0电容放电基本结束。同济大学物理实验中心普通物理实验室Uc充电过程[半衰期T1/2]Uc放电过程与时间常数τ有关的另一个在实验中较容易测定的特征值，称为半衰期T1/2，即当UC（t）下降到初值（或上升至终值）一半时所需要的时间，它同样反映了暂态过程的快慢程度，与t的关系为：T1/2=τln2=0.693τ（或τ=1.443T1/2）2.ui为矩形脉冲?0+≤t≤tu，电容充电uc(t)=E(1?eτ)，uR(t)=Eeτ，?t?t?t≥tu，电容反向放电，uc(t)=[E(1?e?tuτ)]?e?t?tuτ，uR(t)=?uc(t)。1）积分电路将RC电路的电容作为电路输出，由于ucuR，ui=uc+uR≈uR=iR，故uc=11ui∫idt=c∫Rdt，uc与∫uidt成正比，称积分电路。c积分电路输出波形2)微分电路将RC电路的电阻作为输出端，选择电路参数使τtp，输出电压为正负交替的尖脉冲，为微分电路，即uR(t≥tp)=E(e?tuτ?1)e?t?tuτ??Ee?t?tuτ。电子线路中常应用这种电路把矩形脉冲变换为尖脉冲，也称之为建峰电路。同济大学物理实验中心普通物理实验室微分电路输出波形3)耦合电路将RC电路的电阻作为输出端，当改变电路参数使τtp，称为耦合电路。电路中电容隔断直流分量，通过高频分量，把输入波形几乎不变形的传输至下一级，这种电路常用于模拟电路的多级放大电路中的级间耦合方式。耦合电路输出波形实验内容――――――――――――――――――――――――――――――――――PartI：预备实验（熟悉仪器连接与应用软件使用）伏安法测量电阻元件R的数值1.新建实验1.ds，学习电压、电流传感器的连接与实验设置（包括信号发生器设置）。2.实测伏安曲线。3.学习图形数据处理，求出电阻R的数值。PartII：基本实验（RC充放电过程，暂态特性研究）测量串联RC电路对于阶跃信号的响应曲线。多种方法测定时间常数τ及其他物理量（电容存贮电荷Q、电能W、电容值C）。PartIII：拓展与设计实验（设计一个小实验进行观察与探究）：同济大学物理实验中心普通物理实验室1.分别设计一个耦合电路、一个简单的积分电路和一个简单的微分电路，实测电路对于方波输入信号的响应曲线，并由波形图求出时间常数τ。（参见表格2，要求推导出τ的表达式）2.观察RC电路的正弦稳态过程，分别设计一个简单的RC低通电路和高通电路，并用双踪法和李萨如图形法测定正弦输入、输出信号的相位差从而计算出τ值。实验预习要求――――――――――――――――――――――――――――――――――1.仔细阅读本讲义，也可其他实验参考资料了解实验原理，设计实验方案（实物连接简图）；2.低通与高通电路主要区别？请画出电路图。以上内容上课时检查，请勿抄写预习报告。实验步骤与图形数据处理要点提示――――――――――――――――――――――――――――――――――1.按电路图连线。电压传感器连接到SW750接口盒模拟信号通道A，电流传感器连接到通道B。2.启动Datastudio，选择电压传感器，设置取样频率100Hz，测量数据为电压：选择电流传感器，取样频率相同，测量数据为电流。3.设置SW750接口盒输出电压：选择直流1V，并将自动输出（关闭）改为手动输出（关闭）状态。4.设置电压—时间、电流—时间图，设置对应表格。5.手动开启电压输出，并启动测量，由电压—时间图上观察到电容充电到1V且稳定后手动关闭电压输出，继续自动记录放电过程直至放电结束之后停止测量。6.利用智能光标由电压—时间图及表格上确定放电起始与uc=1E的时间，测出半衰211期T，计算τ=2。2ln2T7.由电压—时间图放电曲线部分作自然指数拟合求得τ，标于图上。8.利用“计算（器）”建立新变量：lnu=ln(x)，其中函数ln（）选自科学记法列表，自变量x定义为测量数据电压，新变量名称为lnu。9.设置lnu?t图，在放电区域用线性拟合求τ，标于图上。10.观测RC耦合电路、积分电路以及微分电路U?t或I?t曲线，保存数据图表并分析其物理意义。11.观测正弦稳态过程，并以双轨迹法和李萨如图形法两种方法计算相位差?。同济大学物理实验中心普通物理实验室数据记录参考表格――――――――――――――――――――――――――――――――――1.RC直流充放电过程R标称C标称τ标称=RCT12T1放电曲线u?tτ=2ln2自然指数拟合参数Cτ=1?C放电曲线lnu?t线性拟合参数mτ=1?m2.RC耦合电路（uR为输出）与积分电路（uc为输出）3.微分电路（uR为输出）4.正弦稳态过程R标称低通高通C标称τ=RC输入正弦波频率f周期T?=?t×360T0?=arcsinBA同济大学物理实验中心普通物理实验室注意事项注意事项――――――――――――――――――――――――――――――――――1.按电路图正确接线与操作，严禁信号发生器输出短路损坏仪器。2.利用软件“导出图片”功能生成图形文件，打印后附在实验报告中。要求至少有电容放电过程的u?t图、lnu?t图（图上保留拟合曲线及其参数）。拓展与设计性实验――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――1.分别设计一个耦合电路、一个简单的积分电路和一个简单的微分电路，实测电路对于方波输入信号的响应曲线，并由波形图求出时间常数τ。2.观察RC电路的正弦稳态过程，分别设计一个简单的RC低通电路和高通电路，并用双踪法和李萨如图形法测定正弦输入、输出信号的相位差从而计算出τ值。同济大学物理实验中心普通物理实验室