淺談諧振電路和品質(zhì)因數(shù)Q值的物理意義及教學(xué)思路

雷志坤

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西南寧 530007)

引言

諧振是電路在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一種特殊物理現(xiàn)象,其重要性從無線電通信等技術(shù)中的應(yīng)用中可見一斑。具有電感和電容元件的不含獨(dú)立激勵(lì)源二端電路網(wǎng)絡(luò),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗等效為純電阻時(shí),該電路發(fā)生了諧振現(xiàn)象,諧振時(shí)電感感抗大小等于電容容抗,網(wǎng)絡(luò)端口的電壓和電流同相位,在電感或電容上將獲得比端口信號大得多的信號響應(yīng)量。Q值的物理意義體現(xiàn)了一個(gè)電路發(fā)生諧振的強(qiáng)弱程度和電路對輸入信號選頻性的好壞。然而,在電路分析教學(xué)中,我們常常發(fā)現(xiàn)學(xué)生(尤其是高、中職學(xué)校的學(xué)生)對諧振其品質(zhì)因數(shù)Q這些重要概念的物理含義理解不清或一知半解,究其原因主要是因?yàn)槠涓拍钶^為抽象,教材中又多采用復(fù)雜而繁瑣的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo),直觀性不強(qiáng),造成學(xué)生對這些概念的理解出現(xiàn)一定程度的困難,將影響到他們后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果。

如何才能便捷有效地理解電路中的諧振和品質(zhì)因數(shù)等概念呢?筆者在多年的教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出一些較為理想的教學(xué)方法,現(xiàn)歸納為以下幾點(diǎn)供同行們探討。

一、舉例說明諧振概念及其品質(zhì)因數(shù)Q值的物理意義

1、諧振的概念及典型應(yīng)用舉例

現(xiàn)以最常見的收音機(jī)輸入回路(即調(diào)臺(tái)電路)為例。如圖1為簡單的收音機(jī)信號輸入等效電路,由天線和電阻R、電感L及電容C組成,其中,R、L、C構(gòu)一個(gè)串聯(lián)諧振回路。

2、電路品質(zhì)因數(shù)Q的物理意義

二、對比分析串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的特點(diǎn)

1、RLC串聯(lián)諧振和RL-C并聯(lián)諧振電路特點(diǎn)的區(qū)別

圖3所示分別為典型的RLC串聯(lián)回路和RL-C并聯(lián)回路。下面我們通過對比討論兩種回路在諧振狀態(tài)時(shí)各自的特點(diǎn)。

圖3

再從能量角度來討論,RL-C并聯(lián)電路諧振時(shí)電路也不從外部吸收無功功率,能量也將以電場能和磁場能的形式在電感和電容之間進(jìn)行互補(bǔ)交換,而電源和振蕩電路之間不發(fā)生能量交換,只是補(bǔ)償在振蕩中線圈電阻部分損耗掉的能量。

2、RLC串聯(lián)諧振和RL-C并聯(lián)諧振Q值含義的區(qū)別

需要說明的是,無論是串聯(lián)諧振還是并聯(lián)諧振電路,他們的品質(zhì)因數(shù)Q值只由電路本身結(jié)構(gòu)決定而非外部信號決定。

三、結(jié)語

總之,各種電路諧振時(shí)均有自己獨(dú)特的特征,必須加以區(qū)別來理解;Q值的物理意義說明了電路能產(chǎn)生諧振的強(qiáng)弱程度,同時(shí)還揭示了在電路中的無功功率對比于有功功率的強(qiáng)度;在應(yīng)用上顯示了一個(gè)選頻電路對信號源的選擇特性的好壞。

學(xué)習(xí)電路分析最重要就是讓學(xué)生對重要或關(guān)鍵概念物理意義的有效理解,在此基礎(chǔ)上才能更好地掌握對電路規(guī)律的分析和應(yīng)用。要達(dá)到較理想的教學(xué)目的,需要教師能夠很好地總結(jié)和歸納規(guī)律本質(zhì),并利用各種方法來引導(dǎo)和拓展教學(xué),已達(dá)到良好的教學(xué)效果。實(shí)踐證明,對于諧振回路及其品質(zhì)因數(shù)這一節(jié)的教學(xué),采取實(shí)例引導(dǎo)、對比分析等方法進(jìn)行教學(xué),能讓學(xué)生快速、正確地進(jìn)入理解境界。

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