六个相同的电阻(阻值均为R)连成一个电阻环,六个接点依次为1、2、3、4、5和6,如图1所示.现有五个完全

六个相同的电阻(阻值均为R)连成一个电阻环,六个接点依次为1、2、3、4、5和6,如图1所示.现有五个完全相同的这样的电阻环,分别称为D1、D2、┅D5.现将D2的1、3... 六个相同的电阻(阻值均为R)连成一个电阻环,六个接点依次为1、2、3、4、5和6,如图1所示.现有五个完全相同的这样的电阻环,分别称为D1、D2、┅D5.现将D2的1、3、5三点分别与D1的2、4、6三点用导线连接,如图2所示.然后将D3的1、3、5三点分别与D2的2、4、6三点用导线连接,┅依此类推.最后将D5的1、3、5三点分别连接到D4的2、4、6三点上.(1).证明全部接好后,在D1上的1、3两点间的等效电阻为724627R.(2).求全部接好后,在D5上的1、3两点间的等效电阻. 展开
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解法一:
1.(1)电阻图变形.此题连好的线路的平面图如图预解16-5-1所示.

现将电阻环改画成三角形,1、3、5三点为顶点,2、4、6三点为三边中点,如图预解1-5-2与图预解16-5-3所示.整个连好的线路相当于把Dn的三个顶点分别接到Dn-1的三个中点上,图预解16-5-1变为图预解16-5-4.这样第1问归结为求图预解16-5-4中最外层三角环任意两顶点间的等效电阻.
(2)递推公式.
为使图形简化,讨论如何将接好的两个电阻环化简成为一个单环.由六个阻值为r的电阻构成一个三角环,将其顶点接在另一由六个阻值为R的电阻构成的三角环的中点上(如图预解16-5-5所示).
图预解16-5-6是由六个阻值为R'的电阻构成的三角环.若图预解16-5-5顶点1、3间的电阻与图预解16-5-6顶点l、3间的电阻阻值相等,我们称图预解16-5-6中的R'为等效单环电阻.

用符号“∥”表示电阻的并联,如
           RARB
1
1
RA
+
1
RB

由图预解16-5-5中的对称性可知l、3两顶点间的电阻R1,3等于图预解16-5-7中1、0间的电阻R1,0的2倍,即
      
  
R 1, 3=2R 1, 0
    =2{[R∥r∥(2r)]+R}∥R
    =2[
1
1
R
+
1
r
+
1
2r
+R]∥R
    =2
4rR+3R2
2r+3R
∥R
    
1
3
4r+3R
r+R
R

  =R+
1
3
r∥R
(1)
同理,图预解16-5-6中1、3两顶点间的电阻R1,3R 1, 3=2[(2R′)∥R′]=
4
3
R′
(2)
由(1)、(2)式得等效单环电阻R'为R′=
3
4
R+
1
4
r∥R
(3)
2.第一问
现在考虑把D1、D2、D3、D4、D5按相反的次序,由内向外依次连接的情况.首先将D4接在D5外面,求双环D4-D5的等效单环电阻R(2)〔即(3)式中的R'〕.这时r=R.由(3)式得到R(2)R (2)
3
4
R+
1
4
R∥R=
7
8
R

其次,在双环D4-D5外面接上D3,这时r=R(2).三环D3-D4-D5的等效单环电阻R(3)R (3)
3
4
R+
1
4
R∥R (2)
3
4
R+
1
4
R∥(
7
8
R)=
13
15
R

由此可得一般公式,(s+1)环的等效单环电阻R(s+1)可由R(s)求出R (s+1)
3
4
R+
1
4
R∥R (s)
(4)
于是R (4)
3
4
R+
1
4
R∥R (3)
3
4
R+
1
4
R∥(
13
15
R)=
97
112
R

R (5)
3
4
R+
1
4
R∥R (4)
3
4
R+
1
4
R∥(
97
112
R)=
181
209
R

由(2)式R1,3=(4/3)R'得出由一个环(D5)、两个环(D5-D4)直至五个环(D5-D4-D3-D2-D1)构成的线路1、3点间的电阻为
R
 (1)
 1, 3
4
3
R′=
4
3
R
R
 (2)
 1, 3
4
3
(
7
8
)R=
7
6
R
R
 (3)
 1, 3
4
3
(
13
15
)R=
52
45
R
R
 (4)
 1, 3
4
3
(
97
112
)R=
97
84
R
R
 (5)
 1, 3
4
3
(
181
209
)R=
724
627
R

答:所求的五个环的1与3间的等效电阻确为
724
627
R
.证毕.
3.第二问
根据五个D组成的圆柱形网络的对称性,D5的l、3两点等价于D1的2、4两点.等价线路如图预解16-5-8与图预解16-5-9所示.设二图等价,求图预解16-5-9中的R''即可.

R″=(2R)∥(2R (4))=
1
1
2R
+
56
97R
194
209
R
所以
R
 (5)
 2, 4
=R″∥2R″=
2
3
R″=
388
627
R

答:所求值为
388
627
R

解法二:
第一问
图预解16-5-3可看做D5的接线图,其一半如图预解16-5-10所示,竖直粗线为一短路线.一个环(D5)构成线路的1与0点间的阻值用
R
 (1)
 1, 0
表示,根据对称性,
R
 (1)
 1, 0
1
2
R
 (1)
 1, 3
2
3
R


当D5接入D4后,由两个环(类似图预解16-5-5)构成线路图的一半如图预解16-5-11所示.三个带阴影的电阻与短路线围成的三角形(2-0'-0)中的2与0'间的阻值就是图预解16-5-10中1与0间的阻值
R
 (1)
 1, 0
.其等效电路如图预解16-5-12所示.图预解16-5-11(或图预解16-5-12)中的l与0点间的阻值用
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