例析物理竞赛中纯电阻电路的简化和等效变换

1、例析物理竞赛中纯电阻电路的简化和等效变换计算一个电路的电阻，通常从欧姆定律出发，分析电路的串并联关系。实 际电路中，电阻的联接千变万化，我们需要运用各种方法，通过等效变换将复 杂电路转换成简单直观的串并联电路。本节主要介绍几种常用的计算复杂电路 等效电阻的方法。1、等势节点的断接法在一个复杂电路中，如果能找到一些完全对称的点（以两端连线为对称轴），那么可以将接在等电势节点间的导线或电阻或不含电源的支路断开（即去掉），也可以用导线或电阻或不含电源的支路将等电势节点连接起来，且不影响电路的等效性。这种方法的关键在于找到等势点，然后分析元件间的串并联关系。常用于 由等值电阻组成的结构对称的电路。【例

2、题 1】在图 8-4 甲所示的电路中，Ri= R2= R3= R4= R5= R，试求 A、B 两端的等 效电阻 RAB。模型分析：这是一个基本的等势缩点的事例，用到的是物理常识是：导线是等势体，用 导线相连的点可以缩为一点。将图8-4 甲图中的 A、D 缩为一点 A 后，成为图 8-4 乙图。图8-4答案：RAB=3R。8【例题 2】在图 8-5 甲所示的电路中，Ri= 1Q，R2= 4Q，R3= 3Q，R4= 12Q，R5= 10Q，试求A、B 两端的等效电阻 RAB。模型分析：这就是所谓的桥式电路，这里先介绍简单的情形：将A、B 两端接入电源，并假设 R5不存在，C、D 两点的电势相等。

3、因此，将 C、D 缩为一点 C 后，电路等效为图 8-5 乙对于图 8-5 的乙图，求 RAB是非常容易的。事实上，只要满足企=邑的关系，该桥式R2R4电路平衡。答案：RAB=15Q。4【例题 3】在如图所示的有限网络中，每一小段导体的电阻均为R，试求 A、B 两点之甲Ri C RjRiRJ甲乙圈a-b【例题 2】10 根电阻均为 r 的电阻丝接成如图所示的网络，试求出 效电阻RAB。【例题 3】8 根电阻均为 r 的电阻丝接成如图所示的网络,而成，试求出 A、B 两点之间的等效电阻RAB。CD电流叠加原理：直流电路中，任何一条支路的电流都可以看成是由电路中各个电源分别间的等效电阻 RAB。B

4、1A【例题 4】用导线连接成如图所示的框架, 求 AB 间的总电阻。ABCD 是正四面体，每段导线的电阻都是 V1。2、电流分布法设有电流 I 从 A 点流入、B 点流出，应用电流分流的思想和网络中两点间不同路径等电压的思想，（即基耳霍夫定理），建立以网络中各支路的电流为未知量的方程组，解出各支路电流与总电流 I 的关系，然后经任一路径计算 A、B 两点间的电压UAB，再由ABI即可求出等效电阻。【例题 1】7 根电阻均为 r 的电阻丝接成如图所示的网络，试求出A、B 两A、B 两点之间的等C、D 之间是两根电阻丝并联CDB作用时，在此支路中产生的电流的代数和。所谓电路中只有一个电源单独作用，

5、就是假设将其余电源均除去，但是它们的内阻仍应计及。【例题 4】“田”字形电阻网络如图，每小段电阻为RR2R2R3R3R1R2R2R31巳R23&23R3:Rl2+ 只23 *R3I以上两套公式的记忆方法：R，求 A、B 间等效电阻。3、Y变换法在某些复杂的电路中往往会遇到电阻的Y型或,如图所示，有时把 Y型联接代换成等效 的型联接，或把型联接代换成等效的 Y型联接，可使电路变为串、并联，从而简化计算，等 效代换要求Y 型联接三个端纽的电压U12、U23、U31及流过的电流h、12、 *与型联接的三个端纽相同。将 Y型网络变换到型电路中的变换式：R12R R2 R2R3R3R1R23R-

6、IR2R2R3R3R1Ri将型电路变换到 Y 型电路的变换式:Rl2R23R3IR3IR23BY :分母为三个电阻的和，分子为三个待求电阻相邻两电阻之积。Y:分子为电阻两两相乘再相加，分母为待求电阻对面的电阻。 当 Y 形联接的三个电阻相等时，与之等效的形联接的三个电阻相等, 三倍；同样，当联接的三个电阻相等时，与之等效的 原来的 1/3。【例题 1】对不平衡的桥式电路，求等效电阻F且等于原来的Y 形联接的三个电阻相等，且等于在求 x 值时，注意到 x 是由无限多个- a组成，所以去掉左边第一个无影响，即剩余部分仍为 x,这样，就可以将原式等效变换为x=a x,即2x -x-a=0。所以+訥+

7、4ax二2这就是物理学中解决无限网络问题的基本思路，那就是：无穷大和有限数的和仍为无穷大。一维无限网络【例题 1】在图示无限网络中，每个电阻的阻值均为 R ,试求 A、B 两点间的电阻 RAB。提示：法一：“T”变换;法二：基尔霍夫定律【例题 2】试求如图所示电路中的电流 I。（分别应 用两种变换方式计算）【课堂练习】分别求下图中AB、CD 间等效电阻。（答案：0.5R; RPQ=4Q）(a 0)4、无限网络解法一：在此模型中，我们可以将“并联一个R 再串联一个 R”作为电路的一级，总电路是这样无穷级的叠加。在图8-11 乙图中，虚线部分右边可以看成原有无限网络，当它添加一级后，仍为无限网络，

8、即a 8-11RAB/ R + R = RAB解这个方程就得出了RAB的值。答案：RAB=15R。2解法二：可以，在 A 端注入电流 I 后，设第- 级的并联电阻分流为 Ii，则结合基尔霍夫第一定 律和应有的比例关系，可以得出相应的电流值如图 8-12 所示对图中的中间回路，应用基尔霍夫第二定律， 有(I - Ii)R + (I - I1)11 R - IiR = 0I解得 11= 5 -1I2很显然UA- IR - IiR = UB即 UAB :=IR +-1IR =15IR22最后，RB=UAB=1 5R。I2【例题 2】如图所示，由已知电阻 r1等效电阻 Rab（开端形）r2 和 r3

9、组成的无穷长梯形网络，求a、b 间的【例题 3】 如图所示， 由已知电阻 等效电阻 Rab（闭端形）r1、r2 和 r3 组成的无穷长梯形网络，求a、b 间的双边一维无限网络【例题 4】如图所示，两头都是无穷长,的等效电阻。（中间缺口形）唯独中间网孔上缺掉一个电阻r2，求 e、f 之间【例题 5】如图所示，两头都是无穷长,阻（旁边缺口形）A A 卜（h ”唯独旁边缺一个电阻r2，求 f、g 之间的等效电rtu0 0“卜【例题 6】如图所示，求 g、f 间的等效电阻。（完整形）小结：一维无限网络利用网络的重复性。二维无限网络【例题 7】图为一个网格为正方形的平面无穷网络，网络的每一个节点都有四个

10、电阻与上下左右四个节点分别相联，每个电阻大小均为R，由此，按左右、上下一直延伸到无穷远处.A 和 B 为网络中任意两个相邻节点，试求A、B 间的等效电阻 RAB.模型分析：如图，设有一电流 I 从 A 点流入，从无穷远处流出.由于网络无穷大，故网 络对于 A 点是对称的，电流 I 将在联接 A 点的四个电阻上平均分配这时，电阻R （指 A、B 两节点间的电阻）上的电流为 1/4，方向由 A 指向 B .同理，再设一电流 I 从无穷远处流处，从节点 B 流出.由于网络无穷大，的对称点，因此在电阻 R 上分得的电流也为 1/4 , 方向也是由 A 指向 B .将上述两种情况叠加，其结果将等效为一个

11、从节 点 A流入网络，又从节点 B 流出网络的稳恒电流 I , 在无穷远处既不流入也不流出每个支路上的电流 也是上述两种情况下各支路电流的叠加因此，R电阻上的电流为 1/2 .所以 A、B 两节点间的电势差 为：【例题 9】有一个无限平面导体网络，它由大小相同的正六边形 网眼组成，如图所示。所有六边形每边的电阻为Ro，求：（1）结点 a、b 间的电阻。（2）如果有电流 I 由 a 点流入网络，由 g 点流出网络，那么流过 de段电阻的电流 Ide为多大。解：（1）设有电流 I 自 a 点流入，流到四面八方无穷远处，那么必有I /3电流由 a流向 c,有I /6电流由 c 流向 b。再假设有电流

12、 I 由四面八方汇集 b 点流出，那么必有I /6【例题 8】对图示无限网络，求A、B 两点间的电阻 RAB。口 rri griri厂电流由 a 流向 c,有I /3电流由 c 流向 b。因此，a、b 两点间等效电阻UAB31A6I因为 b、d 两点关于 a 点对称，所以最后，根据电流的叠加原理可知三维无限网络【例题 10】假设如图有一个无限大NaCI 晶格，每一个键电阻为 r，求相邻两个 Na 和 Cl原子间的电阻。【例题 11】在图示的三维无限网络中，每两个节点之间的导体电阻均为R，试求 A、B两点间的等效电阻 RAB。当 A、B 两端接入电源时，根据“对称等势”的思想可知，C、D、巳各点的电势是彼N&i的晶障#梢覆豐将以上两种情况综合，即有电流I 由 a 点流入，自 b 点流出，由电流叠加原理可知I )+1ac36icV 612（由 a 流向 c）Icb2（由 c 流向 b）（2）假如有电流 I 从 a 点流进网络,i流向四面八