全国中学生物理竞赛课件20：稳恒电路计算 39页

稳恒电路计算 一段含源电路的欧姆定律一段电路两端电势差等于这段电路中所有电源电动势与电阻上电压降的代数和，即为基尔霍夫定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第二定律在任一节点处，流向节点的电流之和等于流出节点的电流之和:沿任一闭合回路的电势增量的代数和等于零，即物质的导电特性大块导体导电电解液导电气体导电半导体导电试手被激导电自激导电示例推导例讲示例推导示例示例 以电势降为正!ABI1R1R3R2I2CI3一段电路两端电势差等于这段电路中所有电源电动势与电阻上电压降的代数和，即为返回一段含源电路的欧姆定律 +电流线的方向即正电荷定向移动方向，亦即该点电场方向。电流线的疏密表示电流密度——垂直于电流方向单位面积电流——的大小。大块导体各点的欧姆定律返回电流密度 一电路如图所示，已知R1=R2=R3=R4=2Ω，R5=3Ω，ε1＝12V，ε3＝9V，r1=r2=r3=1Ω，求Uab、Ucd．专题20-例1R1R2R3adcε1r1ε2r2ε3r3R4R5bI由全电路: 如图所示电路中，R1=2Ω，R2=1Ω，R3=3Ω，ε1＝24V，ε2＝6V，r1=2Ω，r2=1Ω，O点接地，试确定a、b、c、d各点电势及每个电池的端电压Uab、Ucd．专题20-例2R1R2R3aε1r1ε2r2bO由全电路:dc电池1端压:电池2端压:返回 专题20-例3R1R2R3aε1r1ε2r2ε3r3R4R5bI1I3I2分析:求出I3即可对ab用含源电路欧姆定律求得Uab;面对I1、I2、I3三个未知量，须由基尔霍夫定律列出三个独立方程方可求解。对节点a：对上半个回路：对上半个回路：由上三式可得：I3例1电路中，若将c、d短路，a、b间电势差是多少？ 等效电源Rε1r1ε2r2I由基尔霍夫第二定律:ε1ε2r2I1r2r1I2I由基尔霍夫第一定律:由基尔霍夫第二定律: RC充放电电路S++设充电时间t，电量为q，在充电的某元过程中，由基尔霍夫定律：ItOU 惠斯通电桥R1R3R4ABCDRgR2I1I2IEr电桥平衡 电势差计Aε1r1EFGBRI1ε0r0DCS12工作原理:以基尔霍夫定律为依据,测定求知电源的电虬民电电动势IRxRx0R0 小试身手题4E1E2I1R3RI2IRR各电流设定如图I不变,则E1两端电压为I不变,则ABI1如图所示电路中，E1是内阻可不计的电源，E2是有一定内阻的电源，此时，有一电流通过E2．若现在使E2的电动势增加1.5Ｖ，但仍要保持通过E2的电流不变，电源E1的电动势必须增加几伏？电路中各电阻值如图中所标示． 小试身手题5各电流设定如图代入数据整理得如图所示电路，求通过电阻R1、R2、R3中的电流.AE1r1CR1R2R3E2r2E3r3DI3I1I2BI2 小试身手题7设10V电压加在1、2两节点间，电路如图3、4、5、6、7、8各点等势，这是一个平衡的电桥则1、2之间总电阻为12345678如图所示，某电路中共有8个节点，连接任意两个节点间的电阻丝的阻值都是2Ω，在此电路的任意两个节点之间加上10V电压，试求通过电路的总电流、各支路的电流以及电路消耗的总功率． 如图所示电路，电源电动势E，内阻不计，电容器的电容为C，电阻R1∶Ｒ２∶Ｒ３∶R4＝３∶２∶１∶1，开关Ｓ断开．现将Ｓ闭合，由Ｓ闭合到电路稳定的过程中皮肤R3的电荷量是多少？R2R1CABpq+R4R3S断开时:S闭合时:pR1CR2qR1CR2pR4q++含容电路示例1 当P向右匀速滑动时电容器放电！RPCG电流表读数约为如图所示电路，将电动势E=1.5V，内阻r=0.5Ω的电源，与一粗细均匀的电阻丝相连，电阻丝的长度l=0.3m，电阻R=100Ω，当滑动触头以v=5×10-3m/s的速度向右滑动时，电流表G的读数为多少？并指出电流表正负极．已知电容器的电容C=2μF．含容电路示例2 专题20-例4C3C2E1E2C1C4E4E3C2C3AEBGFCHD先将立体网络变换成平面网络!对电流通路DHEFBCD由含源电路欧姆定律求各电容端电压:阻值为R的四个等值电阻，电容为１μF的四个电容器以及四个电池在立方体框架的各边上连接起来，如图所示．各电池的电动势E1＝4V，E2＝8V，E3＝12V，E4＝16V，它们的内阻可以忽略．⑴求各个电容器的电压和电量⑵若H点与B点之间短路，求电容器C2上的电量． 在图示的网络中，已知部分支路上电流值及其方向，某些元件参数和支路交点的电势值（有关数值及参数已标在图上）．请你利用所给的有关数值及参数求出含有电阻Rx的支路上电流值Ｉx及其方向．专题20-例510Ω10Ω5Ω10Ω1ΩE5=2VE1=7VE4=2V0.2Ω5VE2=10VE3=7V2V6V6V7V10VI1=3AI2=6AI3=2AC2=4μFC1=5μFE6=10VRxGFDBCHA3A6A5A1A2A依据电路基本规律处理复杂网络问题 小试身手题8E1E2R2C1C2R112开关打1时:+C2充电到电量为能量为开关打2时:C2放电到电量为能量为通过电阻及电池的电量为+电阻R2放出电热为如图所示，两个电池电动势E1=4ε，E2=ε，电容器C1、C2电容均为C，电阻器R1、R2阻值均为R．求：当开关S由位置1转换到位置2后，在电阻器R2上释放的热量． R4R3小试身手题9R1CS-+R2开关S闭合时:外电阻为路端电压为电容器电量为+-开关S打开时:外电阻为路端电压为电容器电量为通过R2的电量为:如图所示的电路中，已知R1＝R2＝R3＝R4＝20Ω，ε＝100V，r=10Ω,C＝10-6F，求当开关S打开后，通过电阻R2的电量． 小试身手题10SAB⑴⑵开关S断开时:⑶开关S闭合时:⑷电容器电容器S闭合时S断开时电量变化在电压为18V的直流电源与地线之间有一电路如图所示，⑴在开关S断开时，图中A点和B点之间的电势差等于多少？⑵又当S断开时，A点和B点的电势哪个高？⑶当接通S时，B点对地的电势变为多少？⑷各个电容器所积蓄的电荷在S接通与断开时相比，改变了多少？ 小试身手题11d1d2等效电路如图其中:如图所示的平行板电容器极板面积为S，板间充满两层均匀介质，它们的厚度分别为d1和d2，介电常数为ε1和ε2，电阻率分别为ρ1和ρ2，当板间电压为U时，求⑴通过电容器的电流；⑵电容器中的电场强度；⑶两介质交界面上自由电荷面密度． 如图，电源电动势10V，内阻不计．C1为可变电容，电容可在7pF—270pF间变化，将可变电容器电容调至最小．⑴断开开关S，当可变电容器的电容以每秒5pF的速率增加时，AB间电势差UAB怎么变化？⑵合上开关S，电路稳定后，以每秒5pF增加其电容时流过电流计电流的方向和大小？小试身手题12GSBA⑴S断开O⑵S闭合电路稳定后电容增大时,电压不变,被充电: 如图所示的电路中，电阻、电容元件的规格如下：R1：420kΩ，3W；R2：120kΩ，2W；R3：240kΩ，2W；C1、C3：0.15μF，500V；C2、C4：0.1μF，600V；C5：0.002μF，600V；这个电路能否正常工作？如果不能，试根据计算确定元件烧毁或击穿的顺序．小试身手题13C1C3C5+R1R3R2-C2C45电容构成电桥且平衡 小试身手题14S电流计指针基本不动,指示出在周期性开、合中通过表的平均电流!在S闭合的τ1时间内电容器间转移电量+电源电流通过表的电量在S打开的τ2时间内放电电量++一个周期内通过表的平均电流由如图所示的电路中，开关S周期性地闭合和断开，其时间各为τ1=1×10-3s和τ2=20×10-3s．在这样的变换频率下安培表的指针实际上不再摆动．试问这只磁电式安培计所指示的电流强度的读数为多少？已知R1＝R2＝100Ω，C1＝C2＝10μF，U0＝10V，电池和安培计的内电阻很小均忽略不计．返回 I专题20-例6ab电流由电极进入大地的电流线球对称分布：1m处的跨步电压为：如图所示电线被风吹断，一端触及地面，从而使200A的电流由接触点流入地内，如图．设地面水平，土地的电导率γ=10-2S/，当一个人走近输电线接地端，左、右两脚间（约0.6m）的电压称跨步电压，试求距高压线触地点1m和10m处的跨步电压． 小试身手题15DABCI0如图，一个平面把空间分为两个部分，一半空间充满了均匀的导电介质，而物理学家在另一半空间工作，他们在平面上画出一个边长为a的正方形轮廓，使电流I0从正方形的相邻顶点A与B流入流出，同时测得另两个顶点C、D间的电势差为U，若已知以球对称分布的电流在半空间里引起的电场强度大小，（r为到球心的距离，ρ为导电介质的电阻率），物理学家确定的均匀介质的电阻率是多少？ 小试身手题18lab⑴电缆的径向电阻为⑵电缆的径向漏电电流为一电缆的芯线是一根半径为r1=5mm的铜线，在铜线外包有一层同轴的绝缘层，其外半径r2=10mm，电阻率ρ=1.0×1012Ω·m，在绝缘层外又用铅层加以保护，如图所示．求:⑴长L=1000m的这种电缆沿径向的漏电电阻；⑵当芯线与铅层间的电势差为100V时，电缆沿径向的电流．返回 .电流通过HgI2电解液，在两极——即左、右两段水银柱发生化学反应RE左端右端其中小试身手题20返回如图所示是广泛应用于电子技术中的“水银钟”的核心部分，在封口的毛细管内有两段水银柱，它们被一小滴HgI2电解液隔开，毛细管的内径d＝0.3mm，管子与电阻R＝390kΩ的电阻串联，再接到电动势E＝10V的电池上．“水银钟”用作小型定时装置，运行时间计算器，也用作库仑测量器测量长时间内通过电路的电量．（1）HgI2液滴向左还是向右移动？（2）若“水银钟”标尺上一个刻度长度为１cm，它指示多少时间?（MHg=201×10-3kg/mol，ρ=13.6×103kg/m3）． 专题20-例7空气被激导电,载流子有正、负离子：电流密度为：用X射线使空气电离时，在平衡情况下，每立方厘米有1.0×107对离子．已知每个正或负离子的电量均为基元电量e，正离子平均定向移动速率cm/s，负离子的平均定向移动速率cm/s，求这时空气中电流密度的大小． .小试身手题19空气被激导电,载流子有正、负离子；设地面大气电场强度为E，则在地面附近的大气里，由于土壤的放射性和宇宙线的作用，平均每1cm3的大气中约有5对离子，已知其中正离子的迁移率（单位电场强度引起的平均定向移动速率）为1.37×10-4m2/s·V，负离子的迁移率为1.91×10-4m2/s·V，正、负离子所带电量大小均为1.60×10-19C，求地面大气的电导率．返回 专题20-例8becR1R2RcReI2IeIcIbI1利用基尔霍夫定律及欧姆定律可求出未知电阻如图所示的晶体管工作电路中，ε=6V，内阻不计，Uec=1.96V，Ueb=0.20V，Ic=2.0mA，Ib=20μA，I2=0.40mA，Rc=1kΩ．求R1、R2、Re阻值． ⑴小试身手题16becRcRbIbIe⑵集电极电流⑶Ic⑷发射极电流如图所示为晶体管固定偏置电路，若已知Ec=6.0V，Rc=1.0kΩ，电流放大系数β=50，发射结正向电压Ueb=0.30V，基极电流Ib=60μA，晶体管在静态工作时，求⑴偏置电阻Rb；⑵电流Ic；⑶管压降Uec；⑷发射极电流Ie． 小试身手题17becR1R2RcReI2IeIcIbI1基极电流在如图所示放大电路中，若已知Ec=9.0V，Re=1.0kΩ，R2=5.0kΩ，Ueb=0.20V，发射极电流Ie=1.05mA，集电极电流Ic=1.0mA，求偏流电阻R1的阻值． aPb小试身手题1AP→aP→bP→中正确答案选D如图所示电路中，电源电动势ε恒定，内阻不计，R1=R2,则当变阻器滑动片从a端滑向b端过程中电流表读数A．逐渐减小B．逐渐增大C．先增大后减小D．先减小后增大 小试身手题21324123440W80W20W1212闭合接线柱1、2由电阻器组成的不可见的电路（暗盒）有四根引出线，如图．如果电压加在接线柱1和2上，那么在断开接线柱3和4情况下，电路内释放功率P1＝40Ｗ；而当闭合接线柱3和4的情况下，P2＝80Ｗ；如果接线柱3和4接在同一个电源上，那么当断开接线柱1和2情况下，电路中释放功率P3＝20Ｗ；求当同样电压加在接线柱3和4上，在闭合接线柱1和2的情况下，电路消耗的功率P4． 小试身手题3A2RRRA1A31mA4mA4.5V由三个相同的电流表和三个相同的电阻器组成的电路如图所示．第一只电流表的读数为１mA，第二只电流表的读数为4mA，电池两极间的电压为U＝4.5Ｖ，求：⑴第三只电流表的读数⑵电阻器的阻值R． 如图，电灯泡的电阻R0＝2Ω，正常工作电压为U0＝4.5V，用电动势U＝6V、内阻可忽略的电池供电，并利用一滑线变阻器将灯泡与电池相连．试求效率为最大的条件及最大效率值．又为使系统的效率不低于η＝0.6，试计算电阻器的阻值及其承受的最大电流．R2uR1电路效率R0当Imin＝I0时此时电路效率不低于0.6:灯正常工作:小试身手题6 小试身手题21由通过伏特表1电流伏特表内阻第１只安培表的读数是50个伏特表电流之和！如图所示的电路图中，包含有50只不同的安培表（A1——A50），以及50只相同规格的伏特表（V1——V50）．第１只伏特表的读数为U1＝9.6V，第１只安培表的读数为I1＝9.5mA，第2只安培表的读数为I2＝9.2mA．试根据给出的这些条件求所有伏特表的读数的总和．A1A2A50V2V1V50