Электрические цепи · раздел 4 из 4

4. Ответы

  1. \(R\approx14\Om\).

  2. \(I = 0{,}5\) А.

  3. \(R = 0{,}5\Om\).

  4. \(R = 2{,}5\Om\).

  5. \(I = \frac3{22}\) А.

  6. \(I = 196\) мкА.

  7. \(V_\Sigma = 78\) В.

  8. \(I = \frac{21}{19}\) А.

  9. \(I_4 = 3\) А, \(I_3 = 2\) А.

  10. \(P = \dfrac14\dfrac{R_2}{(r+R_1+R_2)(R_1+r)}\emf^2\).

  11. \(r = \bigl(\sum_{i=1}^n r_i^{-1}\bigr)^{-1}\), \(\emf = r\sum_{i=1}^n\emf_ir_i^{-1}\).

  12. \(I_2 = I_4 = 0\), \(I_1 = I_3 = \emf/R\).

  13. \(R = 2\Om\).

  14. \(R = \dfrac{R_1}2\bigl(1+\sqrt{1+4R_2/R_1}\bigr)\).

  15. \(r' = \dfrac R2\bigl(1+\sqrt{1+4R/r}\bigr)\), \(\emf' = \emf\).

  16. \(R = \frac56\Om\).

  17. \(R_{AO} = \frac9{20}R\).

  18. \(r = \frac{19}{30}R\).

  19. \(r = \frac{19}{11}R\).

  20. Отрезки прямых, соединяющие следующие точки: (0 с, 0 А); (1{,}5 с, 1 А); (1{,}5 с, 0{,}6 А); (5 с, 2 А); (5 с, \(\frac53\) А); (10 с, \(\frac{10}3\) А); (17 с, 1 А); (17 с, 1{,}2 А); (18{,}75 с, 0{,}5 А); (18{,}75 с, \(\frac56\) А); (20 с, 0 А).

  21. \(I\approx8\) мА.

  22. Примерно в \(-1{,}4\) раза.

  23. \(\frac2{29}R\approx0{,}414R<r<\frac49R\approx0{,}444R\).

  24. Возрастает в \(\frac{16}9\) раза.

  25. 0{,}75 мВт, 0 Вт, 0 Вт.

  26. \(r' = R\dfrac{3R+2r}{5R+3r}\), \(\emf' = \emf\dfrac R{5R+3r}\), \(P_{\max} = \dfrac{\emf^2R}{4(5R+3r)(3R+2r)}\).

  27. \(I\approx3\) мА.

  28. \(I_1 = 1{,}5\) А; \(I_2 = 1{,}7\) А.

  29. \(R = 40\) кОм.

  30. \(I\propto V^{0{,}6}\) или, что то же, \(V\propto I^{5/3}\).

  31. \(I_1 = 0\), \(I_2 = 3\emf/R\), \(I_3 = I_4 = 1{,}5\emf/R\).

  32. 4 А.

  33. Все амперметры: 0{,}75 А.

  34. \(V_2\approx8{,}65\) В.

  35. \(V = (\emf_1R_2-\emf_2R_1)/\bigl(R_1+R_2+\frac{R_1R_2}{R_3}\bigr)\).

  36. \(V_3 = 1\) В.

  37. Возрастает примерно в 1{,}14 раза.

  38. 3 мА, 6 мА, 7 мА и 14 мА.

  39. \(R/r = 9\).

  40. \(I_1 = 0{,}7I_0\).

  41. \(R_{AB} = R/3\).

  42. \(r = R\).

  43. \(r = \frac38R\).

  44. \(r = 2R/n\).

  45. \(r = \frac{67}{315}R\).

  46. \(\frac R3<r<\frac{5R}{11}\); \(r = \frac6{17}R\).

  47. \(r = R\frac14(3+\sqrt{17})\).

  48. \(\emf' = \emf\bigl(1+\frac r{r'}\bigr)\), где \(r' = \frac R2\bigl(1+\sqrt{1+4\frac Rr}\bigr)\).

  49. \(\frac{40}{87}R\le r\le\frac{47}{87}R\).

  50. \(R\bigl(1-\frac{R_2}r\bigr)\).

  51. \(R+R_{\text{диф}}>0\).

  52. \(\frac12(V_0-V_d)^2C\).

  53. \(2(\emf-V_d)\).

  54. \(\frac2{27}C\emf^2\).

  55. \(C_1\emf/\sqrt{L(C_1+C_2)}\), \(\emf\bigl(1+\frac{C_1}{C_1+C_2}\bigr)\).

  56. Синусоида с минимумами при \(V = \emf\frac{C_1}{C_1+C_2}\) и максимумами при \(V = V_{\max}\); \(\omega = 1/\sqrt{(C_1+C_2)L}\).

  57. 8{,}9 мА.

  58. 0 мА, 0 мА и 0 мА.

  59. \(V = IR\) в первый полупериод и \(V = -IR\) во второй полупериод [точнее, для каждого полупериода асимптотические значения достигаются экспоненциально, \(V = \pm I_1R(1-2e^{-\Delta t/RC})\), где \(\Delta t\) — время, прошедшее с начала полупериода]; пилообразный профиль, который линейно растёт от 0 до \(I_1T/C\) и линейно спадает до 0 в течение второго полупериода; \((I_2+I_1)R/2\), \((I_2-I_1)R/2\); \((I_2+I_1)R/2\), \((I_2-I_1)T/8C\).

  60. \(I_R = V_0\cos(2\pi\nu t)/R\), \(I_D = V_0[\cos(2\pi\nu t)+1]/R\) (если не пользоваться приближением \(L\omega\gg R\), то \(I_D = V_0\sqrt{R^{-2}+(2\pi\nu L)^{-2}}[\cos(2\pi\nu t+\varphi)+1]\)).

  61. \(2BNS/R\).

  62. См. на сайте IPhO.

  63. (а) Оба по модулю \(\emf/(R+r)\); (б) \(\frac{\emf}{R+r}e^{-t/\tau}\) и \(\frac{\emf}R\bigl(1-\frac r{R+r}\bigr)e^{-t/\tau}\).

  64. \(2I\), \(I\) и \(I\).

  65. \(\frac12L_2\frac{\emf^2}{r^2}\); \(\frac{L_2\emf}{rR}\).

  66. \(P = (U_2-U_1)^2/4R\) и \(P = C(U_2-U_1)^2/T\).

  67. \(\tau = \Bigl(R_1+\dfrac{R_2R_3}{R_2+R_3}\Bigr)C\).

  68. 8{,}06 кОм, \(>50\) мкФ.

  69. \(\emf\); \(-2\emf\); \(L\emf^2/(2R^2)\), \(C\emf^2/2+L\emf^2/(2R^2)\).

  70. \(P = 2\) мВт; \(U_0 = 21\) В; \(C\ge200\) мкФ; \(P_1 = 200\) мВт.

  71. \

    Рисунок 111
    \(J = \dfrac{\tau_c}{4L}\dfrac{U_i^2}{U_0-U_i}\); \(U_0 = \max\Bigl[2U_i,\ \dfrac{U_i}2\Bigl(1+\sqrt{1+\dfrac{\tau_cR}L}\Bigr)\Bigr]\).
  72. Пилообразный профиль, состоящий из отрезков кривой \(V_0 = V_i(1-e^{-t/RC})\) (от \(V_0 = 0\) до \(V_0 = V_f\)) и вертикальных отрезков прямых (от \(V_0 = V_f\) до \(V_0 = 0\)); \(V_i\gg V_f\); \(T = V_fRC/V_i\); \(R\); оба; например: использовать ту же схему, но подключить ещё одну батарею с ЭДС \(V_i-V_f\) и противоположной полярностью к узлу между батареей и сопротивлением, а выходной сигнал снимать между выводом «\(-\)» новой батареи и верхним выводом \(SG\) (возможно много других решений).

  73. \

    Рисунок 112
    \(-CV_d<q<CV_d\); \(\Delta q = -4CV_d\), \(t = N\pi\sqrt{LC}\), \(N = \left\lfloor\dfrac{|q_0|-CV_d}{2CV_d}\right\rfloor\); система «груз на пружине», в которой на груз действует сила сухого трения.
  74. \(I_1\approx0{,}33\) А, \(I_2 = 5\) мА; \(I_1'\approx5{,}6\) мА, \(I_2' = U\tau/L = 10\) мА; \(\Delta q = LI_2'/R_2 = 3{,}3\) мКл.

  75. (а) \(r+R_{\text{диф}}<0\) и \(\frac LC<R|R_{\text{диф}}|+r|R+R_{\text{диф}}|\); (б) дополнительно \(L_d<r|R_{\text{диф}}|C_d\).

  76. (а) \(R_{\text{off}} = 10\Om\), \(R_{\text{on}} = 1\Om\), \(R_{\text{int}} = 2\Om\), \(I_0 = 6\) А; (б) \(3\Om\): всегда одно состояние; \(1\Om\): 1, 2 или 3 состояния; (в) 3 А, 6 В, устойчиво; (г) от 4 В до 10 В движется по нижней ветви, перескакивает с 1 А на 10 А, возвращается вниз до 4 В по верхней ветви и завершает цикл, спрыгивая до 0{,}4 А; (д) 2{,}41 мкс, 3{,}71 мкс, 6{,}12 мкс; (е) \(P\sim20\) Вт; (ж) \(\tau<\tau_{\text{кр}}\): релаксация к более высокому стационарному току, за которой следует релаксация к исходному стационарному току; \(\tau>\tau_{\text{кр}}\): релаксация к более высокому стационарному току по нижней ветви, за которой следует скачок на верхнюю ветвь, уменьшение тока по верхней ветви, скачок на нижнюю ветвь и релаксация к исходному стационарному состоянию; (з) 0{,}936 мкс.

  77. а) \(\tau_L = LI_0/\emf\); б) \(V_{\max} = RI_0\); в) \(P = \frac{V_0\emf}R\); г) \(V_{av} = \sqrt{\frac{\emf I_0R}2}\); д) \(U_0 = \frac{I_0L}{2C} \sqrt{\frac{I_0}{2R\emf}}\).

  78. (а) \(\frac25\frac{\emf}R\) и \(\frac15\frac{\emf}R\); (б) \(\frac25\frac{\emf}Re^{-t/\tau}\), \(\tau = \frac{5L}R\); (в) постоянный, равный \(\emf/R\).

  79. 2{,}8 мкФ.

  80. 1{,}09 Гн; \(64{,}1^\circ\); 59{,}9 Вт; чтобы создать огромное напряжение для ионизации газа; график \(\propto1+\cos(2\pi\nu t)\) [или слегка приподнятый: \(a+\cos(2\pi\nu t)\) с \(a>1\)]; время рекомбинации достаточно велико, чтобы удержать пары в состоянии плазмы; ток почти такой же, как раньше, фаза \(-63{,}6^\circ\), это нужно для уменьшения реактивной мощности, если две лампы включены параллельно.

  81. \(V_0\bigl(\frac1{\omega L}+\frac{\omega C}4\bigr)\).

  82. \(R\sqrt{C/L}\); \(1/\sqrt{LC}\) с \(L = \frac{L_1L_2}{L_1+L_2}\) и \(C = C_1+C_2\); 0{,}1 А; 0{,}2 А.

  83. \(C = 1/\omega\lim_{\omega\to0}|Z(\omega)|\), \(L = \lim_{\omega\to\infty}|Z(\omega)|/\omega\), \(R = \min_\omega|Z(\omega)|\).

  84. \(\varphi = 2\arcsin\bigl(\frac12\omega\sqrt{LC}\bigr)\); \(\omega l/\varphi\); \(\varphi\ll1\), когда \(v_0 = l/\sqrt{LC}\); бесконечная цепочка масс, соединённых пружинами.

  85. 20 В.

  86. \(L = R_1R_2C\), \(R = R_1R_2/R_C\).

  87. \(2\arctg(\omega RC)\).

  88. \(\approx300\) Вт.

  89. \(10\sqrt3\) В.

  90. 10 Вт, 30 Ом.

  91. \(\omega = \dfrac{\sqrt5\pm1}{2\sqrt{LC}}\).

  92. \(\frac{11}{18}C\).

  93. \(0\); \(\dfrac2{\sqrt{L_2C_2}}\); \(\dfrac{\sqrt5\pm1}{2\sqrt{L_1C_1}}\).

  94. 1, 0; 1, 0; 1, \(\pi\), \(\nu_0 = 4\pi/\sqrt{2LC}\); \(\sqrt{1+\frac L{R^2C}}\), \(\arctg\frac L{R^2C}\), \(\nu_1 = 2\pi/\sqrt{LC}\).

  95. \(q_0/\sqrt{2LC}\).

  96. (а) \(U_C = U|k| = U/\sqrt{1+(2\pi fRC)^2}\) и \(\varphi = \arg k = -\arctg(2\pi fRC)\); (б) \(R_tI_t<U_b-U_d\); (в) \(t_0 = [\arcsin(U_b/U_C)-\varphi]/(2\pi f)\); (г) \(\Bigl[1-2ft_0+\frac{\sin(4\pi ft_0)}{2\pi}\Bigr]^{-1}\).

  97. Прямоугольный сигнал амплитуды \(V_0\sqrt{\frac CL}\).

  98. \(\omega_1 = 1/\sqrt{L_1C}\); \(\omega_2 = \sqrt{\dfrac{2L_1+L_2}{L_1L_2C}}\).

  99. \(V_0/2\); \(2\varphi\).

  100. \(\varphi\).

  101. \(V_0\); \(R_1 = R_2 = 0\), \(R_3 = L/Cr\).

  102. \(1/\sqrt{LC}\); \(1/\sqrt{7LC}\).

  103. \(\sqrt{2/3LC}\); \(\sqrt{3/4LC}\).