《电路》课程教学资源（实验指导）实验3 直流电路基本定理综合实验

实验3直流电路基本定理综合设计性实验 一、实验目的 1.验证基尔霍夫定律、特勒根定理的正确性 2,验证线性电路叠加原理和齐性定理的正确性。 3.设计电路，验证线性电路互易定理三种形式的正确性 4.研究基尔霍夫定律、特勒根定理、叠加原理及齐次定理、互易定理成立的条件，加深 对这几个电路基本定理的认识和理解。 二、基尔霍夫定律、特勒根定理的验证 (一)原理说明 1.基尔霍夫定律是电路的基本定理，包括基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫定律电压 定律(KVL)。基尔霍夫电流定律指出，对电路中任一结点而：∑I=0:基尔霍夫电压定律指 出，对电路中任一闭合回路而言：∑U=0。 2.特勒根定理1：“对于一个具有n个结点和b条支路的电路，假设各支路电流和支路 电压取关联参考方向，并令(，2，.，6小(u,2,.,)分别为b条支路的电流和电压， 则对任何时间t,有U山=0。 (二)实验内容 实验电路如图2-3-1所示，E1=12V,E2=6V,均为直流稳压电源的输出，开始开关S投 向电阻侧。 实验前先任意设定图23-1中三条支路的电流参考方向，如图中的11、12、13所示，并熟 悉线路结构，掌握各开关的操作使用方法。 F 15102 R2 5102R3 3302 I3t R5 5102 IN4007 图2-3-1 20

20 实验 3 直流电路基本定理综合设计性实验 一、实验目的 1．验证基尔霍夫定律、特勒根定理的正确性。 2．验证线性电路叠加原理和齐性定理的正确性。 3．设计电路，验证线性电路互易定理三种形式的正确性。 4．研究基尔霍夫定律、特勒根定理、叠加原理及齐次定理、互易定理成立的条件，加深 对这几个电路基本定理的认识和理解。 二、基尔霍夫定律、特勒根定理的验证 （一）原理说明 1．基尔霍夫定律是电路的基本定理，包括基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫定律电压 定律(KVL)。基尔霍夫电流定律指出，对电路中任一结点而：  I = 0 ；基尔霍夫电压定律指 出，对电路中任一闭合回路而言： U = 0 。 2．特勒根定理 1：“对于一个具有 n 个结点和 b 条支路的电路，假设各支路电流和支路 电压取关联参考方向，并令(i1 ，i2，.，ib)、(u1 ，u2，.，ub)分别为 b 条支路的电流和电压， 则对任何时间 t，有 0 1  = = b k UkIk 。 （二）实验内容 实验电路如图 2-3-1 所示，E1=12V，E2=6V，均为直流稳压电源的输出，开始开关 S3 投 向电阻侧。 实验前先任意设定图 2-3-1 中三条支路的电流参考方向，如图中的 I1、I2、I3 所示，并熟 悉线路结构，掌握各开关的操作使用方法。 图 2-3-1

1,将电路中的开关S投向E侧，开关S2投向E2侧，开关S;投向电阻侧，用数字毫安 表测量实验电路中的三个电流、2、，将测量数据记录于表2-31中。 2.用直流数字电压表分别测量两路电源及电阻元件上的电压值，将测量数据记录于表 2-3-1中。 3.将开关S投向二极管侧。重复实验内容1、2的测量。将测量数据记录于表2-3-1中。 2-3-1 测量项目 (mA) GM) 内室 开关投向电侧 开关投向一侵管 测量、读取数据时必须注意各支路电流及支路电压的正方向，此方向可预先任意设定， 一般各支路电流和支路电压取关联参考方向。 三、叠加原理、齐性定理的验证 (一)原理说明 1.叠加原理指出：在几个独立电源共同作用的线性电路中，任一支路电流（或其两端电 压)都是电路中各独立电源单独作用时在该支路所产生的电流（或电压）的叠加。 2.齐性定理是叠加原理的推广，齐性定理指出：在线性电路中，当所有激励（独立电源） 都增大或缩小K倍(K为实常数)，响应（电流或电压）也将同样增大或缩小K倍。 (二)实验内容 实验电路如图2-3-1，分以下5种情况用万用表和直流毫安表测量表2-3-2中的电量 1.令E1、E2共同作用（即开关S,投向E1侧，开关S2投向E2侧）。 2. 令E,单独作用（即开关S投向E1侧，开关S投向短路侧）。 3. 令E2单独作用（即开关S投向短路侧，开关S投向E2侧）。 4. 将E2调至12V,令E2单独作用（即开关S投向短路侧，开关投向E2侧）。 5. 将开关S投向二极管侧。重复实验内容1、2、3、4的测量。 表2-3-2 测量项日 (mA) 五(A) (mA) th (v) 实验内容 、共同用 单位作用 单独作 2尽单独作用 注意每次测量，读取数据时各支路电流及支路电压取关联参考方向

21 1．将电路中的开关 S1 投向 El 侧，开关 S2 投向 E2 侧，开关 S3 投向电阻侧，用数字毫安 表测量实验电路中的三个电流 Il、I2、I3，将测量数据记录于表 2-3-1 中。 2．用直流数字电压表分别测量两路电源及电阻元件上的电压值，将测量数据记录于表 2-3-1 中。 3．将开关 S3 投向二极管侧。重复实验内容 1、2 的测量。将测量数据记录于表 2-3-1 中。 表 2-3-1 测量项目 实验内容 I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA) UF E (V) UF A (V) UA D (V) UD E (V) UA B (V) UB C (V) UC D (V) 开关 S3投向电阻侧 开关 S3投向二极管侧 测量、读取数据时必须注意各支路电流及支路电压的正方向，此方向可预先任意设定， 一般各支路电流和支路电压取关联参考方向。 三、叠加原理、齐性定理的验证 （一）原理说明 1．叠加原理指出：在几个独立电源共同作用的线性电路中，任一支路电流（或其两端电 压）都是电路中各独立电源单独作用时在该支路所产生的电流（或电压）的叠加。 2．齐性定理是叠加原理的推广，齐性定理指出：在线性电路中，当所有激励（独立电源） 都增大或缩小 K 倍（K 为实常数），响应（电流或电压）也将同样增大或缩小 K 倍。 （二）实验内容 实验电路如图 2-3-1，分以下 5 种情况用万用表和直流毫安表测量表 2-3-2 中的电量。 1． 令 E1、E2 共同作用（即开关 S1 投向 E1 侧，开关 S2 投向 E2 侧）。 2． 令 E1 单独作用（即开关 S1 投向 E1 侧，开关 S2 投向短路侧）。 3． 令 E2 单独作用（即开关 S1 投向短路侧，开关 S2 投向 E2 侧）。 4． 将 E2 调至 12V，令 E2 单独作用（即开关 S1 投向短路侧，开关 S2 投向 E2 侧）。 5． 将开关 S3 投向二极管侧。重复实验内容 1、2、3、4 的测量。 表 2-3-2 测量项目 实验内容 I1（mA） I2（mA） I3（mA） UA D（V） 开关 S3 投向电阻侧 E1、E2共同作用 E1单独作用 E2单独作用 2E2单独作用 开关 S3 投向二极管侧 E1、E2共同作用 E1单独作用 E2单独作用 2E2单独作用 注意每次测量，读取数据时各支路电流及支路电压取关联参考方向

四、互易定理的验证 (一)原理说明 1.互易定理的第一种形式：对一个仅含线性电阻的电路，在单一电压源激励而响应为电 流时，当激励和响应互换位置时，将不改变同一激励产生的响应。如图232所示 线性 线性 电阻 网络 网络 6 a 图2-3-2互易定理第一形式 若0s=U,则10=1o, 即Us 1o成立 2.互易定理的第二种形式：对一个仅含线性电阻的电路，在单一电流源激励而响应为电 压时，当激励和响应互换位置时，将不改变同一激励产生的响应。如图2-3-3所示。 a 电阻 网 b' a 图2-3-3互易定理第二形式 3.互易定理的第三种形式：对一个仅含线性电阻的电路，在单一电压源激励而响应为电 压时，当激励和响应互换位置时，激励若变换为与原电压源激励相同数值的电流源，响应则 变换为与原电压响应相同数值的电流。如图2-34所示。 线性 图2-3-4互易定理第三种形式 2

22 四、互易定理的验证 （一）原理说明 1．互易定理的第一种形式：对一个仅含线性电阻的电路，在单一电压源激励而响应为电 流时，当激励和响应互换位置时，将不改变同一激励产生的响应。如图 2-3-2 所示。 图 2-3-2 互易定理第一形式 若 S , U US  = 则 O O I I  = ， 即 S O S O U I U I   = 成立。 2．互易定理的第二种形式：对一个仅含线性电阻的电路，在单一电流源激励而响应为电 压时，当激励和响应互换位置时，将不改变同一激励产生的响应。如图 2-3-3 所示。 图 2-3-3 互易定理第二形式 若 S S I I  = 则 U U O O  = ， 即 S O S O I U I U   = 成立。 3．互易定理的第三种形式：对一个仅含线性电阻的电路，在单一电压源激励而响应为电 压时，当激励和响应互换位置时，激励若变换为与原电压源激励相同数值的电流源，响应则 变换为与原电压响应相同数值的电流。如图 2-3-4 所示。 图 2-3-4 互易定理第三种形式 (b) d Io 线性 电阻 网络 + – Us a b c (a) 线性 电阻 网络 + – a b c d S  IO U  Uo c d (b) (a) 线性 电阻 网络 + – Is a b 线性 电阻 网络 + – a b c d S  I UO  d a c b 线性 电阻 网络 + – Us (a) + – UO b a 线性 电阻 网络 c d (b) S  I .  O I

若=以，则i。=o,即止-品度立。 UsU。 (二)实验内容 用如图23-1所示实验电路，自己设计实验内容，实验步骤及数据表格，通过测量，计算， 验证如前所述互易定理的三种形式。 使开关5投向二极管侧，重复上面的实验内容 运用互易定理定律时必须注意左右两支路电流和其支路电压取关联参考方向。 五、实验设备 表2-3-3 序号名称 号与规格 数量客注 可调直流稳压电源， 路原理实验电板 DG05 合仪表 六大、实验注意事项 1,测量电压或电流时，应注意仪表极性及测量数据的正负。 2.若用指针式电流表进行测量时，要识别电流插头所接电流表的“+、一”极性。倘若 不换接极性，则电表指针可能反偏（电流为负值时），此时必须调换电流表极性，重新测量， 此时指针正偏，但读得的电流值必须冠以负号。 3.注意仪表量程的及时更换。 七、预习思考题 1.根据图2-3-1的电路参数，计算出待测的电流、2、3和各电阻上的电压值，以便实 验测量时正确地选定毫安表和电压表的量程。 2.实验中，若用万用表直流毫安档测各支路电流，什么情况下可能出现毫安表指针反偏， 应如何处理，在记录数据时应注意什么？若用直流数字毫安表进行测量时，则会有什么显示呢？ 3.叠加原理中E、E2分别单独作用时，可否将不作用的电源直接置零？ 4.实验电路中，若将一电阻改为二极管，这几个电路的基本定理：基尔霍夫定律、特勒 根定理、叠加原理及齐次定理、互易定理哪些还成立，哪些不成立了？为什么？ 八、实验报告要求 1.根据表232的数据，分别在开关S:投向电阻侧和二极管侧两种情况下，选定实验电 路中的任一个结点，比如结点A,验证KCL方程：∑I=0的正确性。选定实验电路中的任 -个闭合回路，比如回路FABCDEF,验证KVL方程：∑U=O的正确性。说明KCL、KVL 方程的适用条件。 2.根据表2-3-2的数据，分别在开关S3投向电阻侧和二极管侧两种情况下，对图2-3】 验证特勒根定理1：∑U=0的正确性。（注意：各支路电流和支路电压取关联参考方向）

23 若 S S I U  = 则 O O I U  = ， 即 S O S O I I U U   = 成立。 （二）实验内容 用如图 2-3-1 所示实验电路，自己设计实验内容，实验步骤及数据表格，通过测量，计算， 验证如前所述互易定理的三种形式。 使开关 S3 投向二极管侧，重复上面的实验内容。 运用互易定理定律时必须注意左右两支路电流和其支路电压取关联参考方向。 五、实验设备 表 2-3-3 序号 名称 型号与规格 数量 备注 1 可调直流稳压电源， 恒流源 1 DG04 2 电路原理实验电路板 1 DG05 3 数字万用表 1 4 GYS-Ⅱ综合仪表 1 六、实验注意事项 1． 测量电压或电流时，应注意仪表极性及测量数据的正负。 2． 若用指针式电流表进行测量时，要识别电流插头所接电流表的“+、一”极性。倘若 不换接极性，则电表指针可能反偏 (电流为负值时)，此时必须调换电流表极性，重新测量， 此时指针正偏，但读得的电流值必须冠以负号。 3． 注意仪表量程的及时更换。 七、预习思考题 1．根据图 2-3-1 的电路参数，计算出待测的电流 Il、I2、I3 和各电阻上的电压值，以便实 验测量时正确地选定毫安表和电压表的量程。 2．实验中，若用万用表直流毫安档测各支路电流，什么情况下可能出现毫安表指针反偏， 应如何处理，在记录数据时应注意什么?若用直流数字毫安表进行测量时，则会有什么显示呢? 3．叠加原理中 E1、E2 分别单独作用时，可否将不作用的电源直接置零？ 4．实验电路中，若将一电阻改为二极管，这几个电路的基本定理：基尔霍夫定律、特勒 根定理、叠加原理及齐次定理、互易定理哪些还成立，哪些不成立了？为什么？ 八、实验报告要求 1．根据表 2-3-2 的数据，分别在开关 S3 投向电阻侧和二极管侧两种情况下，选定实验电 路中的任一个结点，比如结点 A，验证 KCL 方程：  I = 0 的正确性。选定实验电路中的任 —个闭合回路，比如回路 FABCDEF，验证 KVL 方程： U = 0 的正确性。说明 KCL、KVL 方程的适用条件。 2．根据表 2-3-2 的数据，分别在开关 S3 投向电阻侧和二极管侧两种情况下，对图 2-3-1 验证特勒根定理 1： 0 1  = = b k UkIk 的正确性。（注意：各支路电流和支路电压取关联参考方向）

3.根据表2-3-2的数据，分别在开关S3投向电阻侧和二极管侧两种情况下，验证叠加定 律及齐性定理。说明叠加定律及齐性定理的适用条件。 4.根据自己设计的验证互易定理三种形式的实验内容和所得数据表格，通过计算说明互 易定理三种形式的正确性及其适用条件。用测量及计算结果说明在开关S3投向二极管侧时互 易定理是否还成立，为什么？ 5.电阻元件所消耗的功率能否用叠加原理计算而得，用实验数据说明。 6.误差原因分析。 24

24 3．根据表 2-3-2 的数据，分别在开关 S3 投向电阻侧和二极管侧两种情况下，验证叠加定 律及齐性定理。说明叠加定律及齐性定理的适用条件。 4．根据自己设计的验证互易定理三种形式的实验内容和所得数据表格，通过计算说明互 易定理三种形式的正确性及其适用条件。用测量及计算结果说明在开关 S3 投向二极管侧时互 易定理是否还成立，为什么？ 5．电阻元件所消耗的功率能否用叠加原理计算而得，用实验数据说明。 6. 误差原因分析