高中物理竞赛辅导交流电力、物体的平衡

交流电5。1、基 本 知 识511、交流电的产生及变化规律如图5-1-1所示，矩形线圈abcd在匀强磁场中匀速转动，闭合电路中产生交流电。 图5-1-1如果从线圈转过中性面的时刻开始计时，那么线圈平面与磁感应强度方向的夹角为，如图5-1-2所示线圈中产生的瞬时感应电动势按正弦规律变化， 式，称为感应电动势的最大值。电路中的电流强度也按正弦规律变化， 式中，称为交流电流的最大值。高中物理竞赛电学教程第五讲交流电 外电路的电压按正弦规律变化，式中，称为交流电压的最大值。512、表征交流电的物理量（1）周期和频率周期和频率是表征交流电变化快慢的物理量。一对磁极交流发电机中的线圈在匀强场中图5-1-2匀速转动一周，电流按正弦规律变化一周。我们把电流完成一次周期性变化所需的时间，叫做交流电的周期T，单位是秒。我们把交流电在1秒钟内完成周期性变化的次数，叫做交流电的频率f，道位是赫兹。（2）最大值和有效值交流电流的最大值与交流电压的最大值是交流电在一周期内电流与电压所能达到的最大值。交流电的最大值与可以分别表示交流电流的强弱与电压的高低。交流电的有效值是根据电流热效应来规定的。让交流电和直流电通过相同阻值的电阻，如果它们在相同时间内产生的热效应相等，就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值。通常用表示交流电源的有效值, 用I表示交流电流的有效值，用U表示交流电压的有效值。正弦交流电的有效值与最大值之间有如下的关系：当知道了交流电的有效值，很容易求出交流电通过电阻产生的热量。设交流电的有效值为I，电阻为R，则在时间t内产生的热量。这跟直流电路中焦耳定律的形式完全图5-1-3相同。由于交流电的有效值与最大值之间只相差一个倍数，所以计算交流电的有效值时，欧姆定律的形式不变。通常情况下所说的交流电流或交流电压是指有效值。 （3）相位和相差交流发电机中如果从线圈中性面重合的时刻开始计时，交流电动势的瞬时值是。如果从线圈平面与中性面有一夹角时开始计时，那么经过时间t，线圈从线圈平面与中性面有一夹角是，如图5-1-3所示，则交流电的电动势瞬时值是。从交流电瞬时值表达式可以看出，交流电瞬时值何时为零，何时最大，不是简单地由时间t确定，而是由来确定。这个相当于角度的量对于确定交流电的大小和方向起重要作用，称之为交流电的相位。是t=0时刻的相位，叫做初相位。在交流电中，相位这个物理量是用来比较两个交流电的变化步调的。两个交流电的相位之差叫做它们的相差，用表示。如果交流电的频率相同，相差就等于初相位之差，即 ，这时相差是恒定的，不随时间而改变。两个频率相同的交流电，它们变化的步调是否一致要由相差来决定。如果，这两个交流电称做同相位；如果。，这两个交流电称为反相位；若，我们说交流电比相位超前，或说交流电比相位落后。513、交流电的旋转矢量表示法交流电的电流或电压是正弦规律变化的。这一变化规律除了可以用公式和图像来表示外，还可以用一个旋转矢量来表示。图5-1-4是正弦交流电的旋转矢量表示法与图像表示法的对照图，左边是旋转矢量法，图5-1-4右边是图像法。在交流电的旋转矢量表示法中，OA为一旋转矢量，旋转矢量OA的大小表示交流电的最大值，旋转矢量OA旋转的角速度是交流电的角频率，旋转矢量OA与横轴的夹角为交流电的相位，旋转矢量OA在纵轴上的投影为交流电的瞬时值。交流电的旋转矢量表示法使交流电的表达更加直观简捷，并且也为交流电的运算带来极大的方便。 图5-2-15、2 交流电路521、交流电路（1）纯电阻电路给电阻R加上一正弦交流电，如图5-2-1所示，其电压u为电流的瞬时值I与U、R三者关系仍遵循欧姆定律。 图5-2-2电流最大值，它们的有效值同样也满足在纯电阻电路中，u、i变化步调是一致的，即它们是同相，图5-2-2甲表示电流、电压随时间变化的步调一致特性。图乙是用旋转矢量法来表示纯电阻电路电流与电压相位关系。 （2）纯电感电路纯电感电路如图5-2-3所示，自感线圈中产生自感电图5-2-3动势为，电路中电阻R可近似为零，由含源电路欧姆定律有，所以，自感电动势与外加电压是反相的。 设电路中电流，自感电动势为由于很短，依三角关系展开上式后，近似处理，则为图5-2-4由得由上面可见：a.纯电感电路中电压电流关系: ，其中称为感抗（）满足，其中，单位:欧姆。b.纯电感电路中，图5-2-4电压、电流相位关系是，电压超前电流，它们的图像和矢量表示如图5-2-5的甲、乙图所示。 图5-2-5(3)纯电容电路图5-2-6纯电容电路如图5-2-6所示，外加电压u，电容器反复进行充放电，设所加交变电压，与前面推导方式相同， 时间很短，得到则电路中电流有效值为I 称为电容的容抗，单位是欧图5-2-7姆。在纯电容电路中电流与电压的相位关系是:电流超前电压，图5-2-6甲、乙分别反应电流、电压随时间的变化图线和它们的矢量表示图。522位移电流位移电流不是电荷定向移动的电流。它引起的变化电场，极置于一种电流。为了形象地表明我移电流，可以把它看作是由极板上电荷积累过程即形成的。1交流电能通过电容器，是由于电容器在充、放电的过程中，电容器极板上的电荷发生变化，引起电场的变化而形成的。连接电容器的导线中有传导电流通过，而在电容器内存在位移电流。2我移电流在产生磁场效应上和传导电流完全等效，因为二者都都会在周围的空间产生磁场。3我移电流通过介质时不会产生热效应。523、交流电路中的欧姆定律在交流电路中，电压、电流的峰值或有效值之间关系和直流电路中的欧姆定律相似，其等式为或，式中I、U都是交流电的有效值，Z为阻抗，该式就是交流电路中的欧姆定律。（2）说明由于电压和电流随元件不同而具有相位差，所以电压和电流的有效值之间一般不是简单数量的比例关系。图5-2-8a、在串联电路中，如图图5-2-8所示，以R、L、C为例，总电压不等于各段分电压的和，。因为电感两端电压相位超前电流相位电容两典雅电压相位落后电流相位。所以R、L、C上的总电压，决不是各个元件上的电压的代数和而是矢量和。以纯电阻而言，图5-2-9 以纯电感而言， 以纯电容而言， 合成的总电压。则图5-2-10，得。而电压和电流的相位差（图5-2-9）。b、在并联电路中，如图5-2-10所示，以R、L、C为例，每个元件两端的瞬时电压都相等为U。每分路的电流和两端电压之间关系为 ， ， 。不同元件上电流的相位也各有差异。纯电感上电流相位落后于纯电阻电流相位，纯电容上电流相位超前纯电阻电流相位。所以分电流的矢量和即总电流 令 得。524、交流电功率在交流电中电流、电压队随时间而变，因此电流和电压的乘积所表示的功率也将随时间而变。跟交流电功率有关的概念有：瞬时功率、有功功率、视在功率（又叫做总功率）、无功功率、以及功率因素。a瞬时功率。由瞬时电流和电压的乘积所表示的功率。，它随时间而变。在任意电路中，与u之间存在相位差。在纯电阻电路中，电流和电压之间无相位差，即，瞬时功率。b有功功率。用电设备平均每单位时间内所用的能量，或在一个周期内所用能量和时间的比。在纯电阻电路中，纯电阻电路中有功功率和直流电路中的功率计算方法表示完全一致，电压和电流都用有效值来计算。在纯电感电路中（电压超前电流），在纯电容电路中（电流超前电压）， 以上说明电感电路或电容电路中能量只能在电路中互换，即电容与电源、电感与电源之间交换能量，对外无能量交换，所以它们的有功功率为零。对于一般电路的平均功率 c视在功率（S）。在交流电路中，电流和电压有效值的乘积叫做视在功率，即。它可用来表示用电器（发电机或变压器）本身所容许的最大功率（即容量）。d无功功率（Q）。在交流电路中，电流、电压的有效值与它们的相位差的正弦的乘积叫做无功功率，即。它和电路中实际消耗的功率无关，而只表示电容元件、电感元件和电源之间的能量交换的规模。图5-2-11有功功率，无功功率和视在功率之间的关系，可用如图5-2-11所示的所谓功率三角形来表示。e功率因数。发电机输送给负载的有功功率和视在功率的比， 。为了提高电能的可利用程度，必须提高功率因数，或者说减小相位差。525、涡流（1）定义或解释块状金属放在变化的磁场中，或让它在磁场中运动，金属地内有感应电场产生，从而形成闭合回路，这时在金属内所产生的感生电流自成闭合回路，形成旋涡，所以叫做涡电流。“涡电流”简称涡流，又叫傅科电流。（2）说明1涡流的大小和磁通量变化率成正比，磁场变化的频率越高，导体里的涡流也越大。2在导体中涡流的大小和电阻有关，电阻越大涡流越小。为了减小涡流造成的热损耗，电机和变压器的铁芯常采用多层彼此绝缘的硅钢片迭加而成（材料采用硅钢以增加电阻）。涡流也有可利用的一面。高频感应炉就是利用涡流作为自身加热用，感应加热，温度控制方便，热效率高，加热速度快，在生产生已用作金属的冶炼。在生活上也已被用来加热食品。涡流在仪表上也得到运用。如电磁阻尼，在磁电式测量仪表中，常把使指针偏转的线圈绕在闭合铝框上，当测量电流流过线圈时，铝框随线圈指针一起在磁场中转动，这时铝框内产生的涡流将受到磁场作用力，抑止指针的摆动，使指针较快地稳定在指示位置上。526、自感由于导体本身电流发生变化而产生电磁感应现象员做自感现象。导体回路由于自感现象产生的感生电动势叫做自感电动势，自感电动势的大小和电流的变化率成正比，。这是由于电流变化引起了回来中磁通量变化的缘故。式中比例常数L叫做自感系数。（2）单位在国际单位制中，自感系数的单位是亨利。（3）说明自感是导体本身阻碍电流变化的一制属性。对于一个线圈来说，自感系数的大小取决于线圈的匝数，直径、长度以及曲线芯材料等性质。在线圈直径远较线圈长度为小时，则（是圈线芯材料的导磁率，是线圈长度，N是线圈匝数，S是线圈横截面积）。自感现象产生的原因是当线圈中电流发生变化时，该线圈中将引起磁通量变化，从而产生感生电动势。因此，自感电动势的方向也可由楞次定律确定。当电流减小时，穿过线圈的磁通量也将减小，这时自感电动势的方向应和正在减小的电流方向一致，以障碍原电流的减小。同理，当线圈中电流增大时，则穿过线圈的磁通量也随着增大，因而有时将导体的自感现象与惯性现象作类比，它们都表现为对运动状态变化的障碍，所以自感现象又叫做电磁惯性现象。自感系数又叫做电磁惯量。这也可在能量关系上作一类比，电场能的公式为，那储藏在磁场里的能量公式为，因而L与C（电容）相当，I与U（电压）相当，自感系数L又可叫做电磁容量。但须注意，在线圈中被自感而产生电动势所障碍的是电流的变化，而不是阻碍电流本身。所以线圈中电流变化率越大则线圈两端阻碍电流变化的感生电动势值也越大。与电流的大小无直接关系。自感现象也可从能量守恒观点来解释。在自感电路里，接通直流电源，电流逐渐增加，在线圈内穿过的磁通量也逐渐增大，建立起磁场。在电流达到最大值前电源供给的能量将分成两部分，一部分消耗在线路的电阻上转变为热能；另一部分克服自感电动势做功，转化为磁场能。如果线路上热能损耗很小，可以忽略不计，那么在电流达到最大值前，电源供应的能量将全部转化为磁场能。当电流达到最大值时，磁场能也达到最大。当电流达到最大值稳定时，自感电动势不再存在，电源不再供给电能。自感系数不仅和线圈的几何形状以及密绕程度有关，而且还和线圈中放置铁芯或磁芯的性质有关，如果空心线圈的自感系数为，放置磁芯后，线圈的自感系数将增大倍，即，式中为磁芯的有效导磁率，它和磁芯材料的的相对导磁率有内在的联系。闭合的环形磁芯和数值相等。它们还和导体中工作电流的大小有关。和也有所区别。至于的大小还与磁芯材料的粗细、长短等几何形状有关，例如，对棒形铁芯或包含有空气隙的环形磁芯来说，。用的锰锌铁氧体材料制作的天线磁棒，其常常不到10。527、互感由于电路中电流的变化，而引起邻近另一电路中产生感电动势的现象叫做互感现象。导体由于互感现象，在次级线圈中产生感生电动势。感生电动势的大小和初级线圈中电流的变化率成正比，。式中的比例常数叫做互感系数。（2）单位在国际单位制中，互感系数的单位是亨利。（3）说明互感系数的大小和初、次级线圈的自感系数有关。当两个自感系数分别为L1和L2的线圈有闭合铁芯相连，而且初、次级线圈又耦合得十分紧密的情况下，即可看作是一种理想耦合。在理想耦合时互感系数。在一般情况下，两线圈之间不一定有铁芯相连，它们之间的磁耦合并不很紧密，其中某线圈中电流所激发的磁通量不全部通过另一线圈时，那么，k为耦合系数，它的物理意义是表示为磁耦紧密程度。K值和两线圈或回路的相对位置以及和周围的介质材料有关。对于k值的选取，由实际需要而定。如果要减小互感干扰，则选取较小的耦合系数；如果要加强互感，则选取较大的耦合系数。528、三相交流电三相交流电发电机原理如图5-2-1所示，其中AX、BY、CZ三组完全相同的线圈，它们排列在圆周上位置彼此差120。角度，当磁铁以角速度匀速转动时，每个线圈中都会产生一个交变电动势，它们位相彼此为，因而有图5-2-8（1）星形（Y型）连接的三相交流电源如图5-2-8所示，三相中每个线圈的头A、B、C分别引出三条线，称为端线（火线），而每相线圈尾X、Y、Z连接在一起，引出一条线，此线称为中线。因为总共接出四根导线，所以连接后的电源称为三相四线制。三相电源中，每相线圈中电流为相电流，端线中的电流为相电流，端线中的电流为线电流，每个线圈中电压为相电压，任意两条端线的电压为线电压。则线电压与相电压关系图5-2-9 所以相对有效值而言，有同理有：而星形连接后，相电流与线电流大小是一样的，即：图5-2-10（2）三角形（形）连接的三相电源如图5-2-9所示，它构成三相三线制电路。由图可知，在此情形下线电压等于相电压，但线电流与相电流是不相等的，若连接负载在对称平衡条件下，所以有：（3）三相交流电负载的星形和三角形连接如图5-2-10甲、乙所示，星形连接时，有，电流关系：若三相负载平衡。即，则有：，中线可省去，改为三相三线制。三相负载的三角形连接时，而负载上电流与线电流不等，当三相平衡时，线电流是相电流的倍。5、3电磁振荡与电磁波531、电磁振荡 图5-3-1电路中电容器极板上的电荷和电路中的电流及它们相联系的电场和磁场作周期性变化的现象，叫做电磁振荡。在电磁振荡过程中所产生的强度和方向周期性变化的电流称为振荡电流。能产生振荡电流的电路叫振荡电路。最简单的振荡电路，是由一个电感线圈和一个电容器组成的LC电路，如图5-3-1所示。在电磁振荡中，如果没有能量损失，振荡应该永远持续下去，电路中振荡电流的振幅应该永远保持不变，这种振荡叫做自由振荡或等幅振荡。但是，由于任何电路都有电阻，有一部分能量要转变成热，还有一部分能量要辐射到周围空间中去，这样振荡电路中的能量要逐渐减小，直到最后停止下来。这种振荡叫做阻尼振荡或减幅振荡。电磁振荡完成一次周期性变化时需要的时间叫做周期。一秒钟内完成的周期性变化的次数叫做频率。振荡电路中发生电磁振荡时，如果没有能量损失，也不受其它外界的影响，即电路中发生自由振荡时的周期和频率，叫做振荡电路的固有周期和固有频率。LC回路的周期T和频率f跟自感系数L和电容C的关系是：。532、电磁场任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，任何变化的磁场都要在周围空间产生电场。变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的场，这就是电磁场。麦克斯韦理论是描述电磁场运动规律的理论。变化的磁场在周围空间激发的电场，其电场呈涡旋状，这种电场叫做涡旋电场。涡旋电场与静电场一样对电荷有力的作用；但涡旋电场又与静电场不同，它不是静电荷产生的，它的电场线是闭合的，在涡旋电场中移动电荷时电场力做的功与路径有关，因此不能引用“电势”、“电势能”等概念。当导体作切割磁感线运动时，导体中的自由电子将受到洛仑兹力而在导体中定向移动，使这段导体两端分别积累正、负电荷，产生感应电动势，这种感应电动势又叫做动生电动势。 图5-4-1它的计算公式为当穿过导体回路的磁通量发生变化时（保持回路面积不变），变化的磁场周围空间产生涡旋电场，导体中的自由电子在该电场的电场力作用下定向移动形成电流，这样产生的感应电动势又叫感生电动势。它的计算公式为图5-4-2533、电磁波如果空间某处产生了振荡电场，在周围的空间就要产生振荡的磁场，这个振荡磁场又要在较远的空间产生新的振荡电场，接着又要在更远的空间产生新的振荡磁场，这样交替产生的电磁场由近及远地传播就是电磁波。电磁波的电场和磁场的方向彼此垂直，并且跟传播方向垂直，所以电磁波是横波。电磁波不同于机械波，机械波要靠介质传播，而电磁波它可以在真空中传播。电磁波在真空中的传播速度等于光在真空个的传播速度米/秒。电磁波在一个周期的时间内传播的距离叫电磁波的波长。电磁波在真空中的波长为：电磁波可以脱离电荷独立存在，电磁波具有能量，它是物质的一种特殊形态。图5-4-35、4 整流和滤波541、整流把交流电变为直流电的过程叫做整流，通常是利用二极管的单位导电特性来实现整流目的，一般的整流方式为半波整流、全波整流、桥式整流。（1）半波整流如图5-4-1所示电路为半波整流电路，B是电源变压器，D是二极管，R是负载。当变压器输出正弦交流时，波形如图5-4-2甲所示，当0时，二极管D正向导图5-4-4通，设正向电阻为零，则。当0时，在交流负半周期，二极管处于反向截止状态，所以R上无电流，变化如图5-4-2所示。可见R上电压是单方向的，而强度是随时间变化的，称为脉动直流电。 图5-4-5（2）全波整流全波整流是用二个二极管、分别完成的半波整流实现全波整流，如图5-4-3所示，O为变压器中央抽头，当0时，导通，截止，当0时截止，导通，所以R上总是有从上向下的单向电流，如图5-4-4所示。（3）桥式整流桥式整流电路如图5-4-5所示，当0时， 、图5-4-6处于导通状态，、处于反向截止，而当0时，、处于导通，、反向截止，流经R的电流总是从上向下的脉动直流电，它与全波整流波形相似。所不同的是，全波整流时，二极管截止时承受反向电压的最大值为，而桥式整流二极管截止时，每一个承受最大反向电压为。542、滤波图5-4-7交流电经整流后成为脉动直流电，其电流强度大小仍随时间变化。为了使脉动电流为比较平稳的直流，需将其中脉动成份滤去，这一过程称为滤波。滤波电路常见的是电容滤波、电感滤波和型滤波。图5-4-6为电容滤波电路，电解电容C并联图5-4-8在负载R两端。由于脉动直流可看作是稳恒直流和几个交流电成份叠加而成，因而电容器的隔直流通交流的性质能让脉动直流中的大部分分交流中的大部分流成份通过电容器而滤去。使得R上获得比较平稳的直流电，如图5-4-7所示。电感线圈具有通直流阻交流的作用，也可以作为滤波元件，如图5-4-8所示电路中L与R串联，电压交流成份的大部分降在电感线圈上，而L的电阻很小，电压的直流成份则大部分降在负载电阻上，因此R上电压、电流都平稳就多，图5-4-9所示。把电容和电感组合起来，则可以组成滤波效果更好的型滤波器，如图5-4-9所示。 5、5 例题1、氖灯接入频率、电压为120V的交流电路中共10分钟，若氖灯点燃和熄 图5-4-9灭电压，试求氖灯的发光时间。分析: 氖灯发光时电压应为瞬时值，而接入交流电电压120V是为有效值。所以要使氖灯发光，须使交流电电压瞬时值。解: 氖灯管两端电压瞬时值为图5-4-9其中，由于交流电周期性特点，如图5-4-10所示，在半个周期内氖灯发光时间，则有：灯点熄和熄灭时刻，有图5-4-10120=120图5-4-11则在0时间内，有在一个周期T内，氖灯发光时间所以在10分钟时间内，氖灯发光时间应占通电时间的一半为5分钟。2、三相交流电的相电压为220V，负载是不对称的纯电阻，连接如图5-4-11所示，试求：（1）中线电流。（2）线电压。分析: 有中线时，三相交流三个相变电压的相位彼此差，振幅相同，因负载为纯电阻，三个线电流的相位也应彼此相差，因负载不对称，三个线电流振幅不同，但始终有。解: （1）有中线时，三个相电压，彼此相差为，表达式为图5-4-12三个线电流、为：，则有中线电流得： 所以中线电流。（2）线电压、应振幅相等，最大值皆为，有效值为380V，彼此相差为。3、如图5-4-12所示的电路中，三个交流电表的示数都相同，电阻器的阻值都是100，求电感线圈L和电容C的大小。分析: 、表读数为电流的有效值，而通过电表的瞬时电流应满足：借助于电流旋转矢量关系可求解：解: 由电流关系有又三个电表读数相等，由（1）推知，对应电流旋转矢量关系是 且， 由电路结构可知，超前，滞后于且相位差都小于，由此超前于，且超前量，注意，所以合矢量为， ， 又：（并联关系） 所以有 电流与端电压间相位差有图5-4-13所以有 代入（3）式得：4、某用电区总功率表的读数和总电流表的读数常常是16kW和90A左右，原因是电感性负载增大，总电流相位比总电压相位落后较多造成的，导致功率因素过低，于是在该用电区输入端并联一只电容，结果使该电路的功率因素提高到了0.9，试问并联这一电容规格如何？分析: 对于一个交流电路，电路的有功功率为，为电流与电压相差，则称为电路的功率因素，由于电路中感性元件较多，因而电流总比电压落后较大相为，如图5-4-13所示，并联电容C后，电容器支路电流超前电压，使干路电流与U落后相差减小，从而提高功率因素。解: 原来的有功功率，所以功率因素图5-4-14设并联电容C，相应旋转矢量由图5-4-14可得 ，代入得 图5-4-15取电容器耐压值为350V，所以应在输入端并联、350V的电容器。5、如图5-4-15所示电路中，输入电压，直流电源电动势。图5-4-16（1）求的波形；（2）将D反接后，又当如何？分析: 电阻与电源串联，有分压作用，二极管与电源串联后，跨接在输出端，与负载形成并联关系，这样的连接特点使电路具有削减波幅的功能。解 （1）时，电势，D处于反向截止，ab相当于断路，时，电势，D处于正向导通状态，ab间相当于短路，输出电压的顶部（）被削去，如图5-4-16所示。 图5-4-18图5-4-17（2）当D反接时，如图5-4-17所示，当时，D截止，；当时，D被导通，ui低于的部分全部被削去，输出波形成为底部在处的正脉动电压，如图5-4-18所示。6、如图5-4-19所示电路中，电源内阻可略，电动势都是30V，。将K依次接“1”和“2”时，各电阻上的电流强度是多少？两点谁的电势高？图5-4-19分析 一般情况下，我们总是认为二极管为理想情形，正向导通时，反向截止时，为断路。解 （1）K接1时，靠直流电源供电，此时导通，截止。有（2）K接“2”时，交流电源供电，、交替的导通和截止，设图5-4-20，如图5-4-20所示。在正半周期，导通，通过电流在负半周期，导通，截止，通过的电流由于始终有电流通过，所以、的电流如图5-4-21甲、乙、丙所示。的电流有效值图5-4-21只有在半个周半个周期内通电流，所以可求得其有效值。在正半周期 在负半周期 =所以d、c两点间总有7、如果回旋加速器的高频电源是一个LC振荡器，加速器的磁感强度为B。被加速的带电粒子质量m、带电量为q，那么LC振荡电路中电感L和电容C的乘积LC为何值？分析: 带电粒子子回旋周期加速器中旋转一周两次通过狭缝被加速，所以应使粒子在磁场中回旋周期与高频电源周期相等。解: 带电粒子在匀强磁场中做匀强磁场中做匀速圆周运动周期回旋加速器两个D型盒上所接高频电源是一个LC振荡器，其振荡周期满足带电粒子每次通过D型盒狭缝都被加速，应有得到 图5-4-228、在图5-4-22所示的电路中，当电容器上电压为零的各时刻，开关S交替闭合、断开，画出电感线圈L上电压随时间t持续变化的图线，忽略电感线圈及导线上的电阻。分析: 在图中所描绘的LC振荡电路中。由于S的开闭，使得电容C不断变化，回路电磁振荡的周期、频率以及电压的振幅随之发生变化。解: 当S闭合，被短路，L和组成的振荡电路的振荡周期当S被打开时，、串联，总电容C为它与L组成振荡器振荡周期图5-4-23因为忽略一切电阻，没有能量损耗，故能量守恒，设当振荡周期时交流电压的最大值为U1和 U2，则由此得因为S是上电压为零时刻打开和关闭的，所以L上电压随时间变化图线如图5-14所示。图5-4-249、如图5-4-24所示，正方形线圈abcd绕对称在匀强磁场中匀速运动，转数转/分。若已知ab=bc=0.20米，匝数N=20，磁感应强度B=0.2特，求：（1）转动中的最大电动势及位置：（2）从图示位置转过90。过程中的平均电动势；（3）设线圈是闭合的，总电阻R=10欧，线圈转动过程中受到的最大电磁力矩及位置。分析: 这是一个以交流发电机为原型的计算题。根据导线切割磁感线产生感应电动势的公式，可计算出线圈中产生的最大感应电动势；根据线圈中的磁通量的平均变化率，可计算线圈出线圈在转动过程中受到磁力矩。解: （1）当线圈平面与磁场方向平行时，线圈的ab、cd边切割磁感线的有效速度最大，产生的感应电动势最大， 伏。（2）从图示位置转过90。过程中，线圈中发生的磁通量变化，经历的时间为，由法拉第电磁感应定律解得平均感应电动势为 伏（3）当线圈平面与磁场方向平行时，线圈中产生的感应电动势最大，产生的感应电流最大。此时线圈的ab、cd边受到的安培力最大且与线圈平面垂直，因而磁力矩也就最大，牛米图5-4-2510、两个完全相同的电热器，分别通过如图5-4-25甲和乙所示的电流最大值相等的方波交流电流和正弦交流电流，则这两个电热器的电功率之比是多少？分析: 交流电通过纯电阻R时，电功率，式中I是交流电的有效值。交流电的有效值是交流电流的最大值的，这一结论是针对正弦交流电而言的。至于方波交流电通过纯电阻R时，每时每刻都是大小是的电流通过，只是方向在作周期性变化。而稳恒电流通过电阻时的热功率跟电流的方向无关。所以最大值为的方波交流电通过纯电阻的电功率等于电流强度是的稳恒电流通过纯电阻的电功率。解:对于方波交流电流流过纯电阻R的电功率为：。对于正弦交流电流流过纯电阻R的电功率为： 所以这两个电热器的电功率之比为：=2：1。 高中物理竞赛力学教程 第一讲力、物体的平衡力、物体的平衡1.1常见的力1、1、1力的概念和量度 惯性定律指出，一个物体，如果没有受到其他物体作用，它就保持其相对于惯性参照系的速度不变，也就是说，如果物体相对于惯性参照系的速度有所改变，必是由于受到其他物体对它的作用，在力学中将这种作用称为力。凡是讲到一个力的时候，应当说清楚讲到的是哪一物体施了哪一个物体的力。一个物体，受到了另一物体施于它的力，则它相对于惯性参照系的速度就要变化，或者说，它获得相对于惯性参照系的加速度，很自然以它作用于一定的物体所引起的加速度作为力的大小的量度。实际进行力的量度的时候，用弹簧秤来测量。重力由于地球的吸引而使物体受到的力，方向竖直向下，在地面附近，可近似认为重力不变（重力实际是地球对物体引力的一个分力，随纬度和距地面的高度而变化）l图1-1-1弹力物体发生弹性变形后，其内部原子相对位置改变，而对外部产生的宏观反作用力。反映固体材料弹性性质的胡克定律，建立了胁强（应力）与胁变（应变）之间的正比例关系，如图所示 式中E为杨氏弹性模量，它表示将弹性杆拉长一倍时，横截面上所需的应力。GTTTT图1-1-2弹力的大小取决于变形的程度，弹簧的弹力，遵循胡克定律，在弹性限度内，弹簧弹力的大小与形变量（伸长或压缩量）成正比。F=-kx式中x表示形变量；负号表示弹力的方向与形变的方向相反；k为劲度系数，由弹簧的材料，接触反力和几何尺寸决定。ABCAAAAAA图1-1-3接触反力 限制物体某些位移或运动的周围其它物体在接触处对物体的反作用力（以下简称反力）。这种反力实质上是一种弹性力，常见如下几类：1、柔索类（图1-1-2）如绳索、皮带、链条等，其张力一般不计柔索的弹性，认为是不可伸长的。滑轮组中，若不计摩擦与滑轮质量，同一根绳内的张力处处相等。 2、光滑面（图1-1-3）接触处的切平面方位不受力，其法向支承力A图1-1-43、光滑铰链物体局部接触处仍属于光滑面，但由于接触位置难于事先确定，这类接触反力的方位，除了某些情况能由平衡条件定出外，一般按坐标分量形式设定。ABC图1-1-5图1-1-6（1）圆柱形铰链（图1-1-4,图1-1-5，图1-1-6）由两个圆孔和一个圆柱销组成。在孔的轴线方向不承受作用力，其分力 图中AC杆受力如图，支座B处为可动铰，水平方向不受约束，反力如图。（2）球形铰链（图1-1-7,图1-1-8）由一个球碗和一个球头组成，其反力可分解为A图1-1-7 图1-1-84、固定端（图1-1-9，图1-1-10） 如插入墙内的杆端，它除限制杆端移动外，还限制转动，需增添一个反力偶。 A图1-1-9图1-1-10A摩擦力 物体与物体接触时，在接触面上有一种阻止它们相对滑动的作用力称为摩擦力。不仅固体与固体的接触面上有摩擦，固体与液体的接触面或固体与气体的接触面上也有摩擦，我们主要讨论固体与固体间的摩擦。112、摩擦分为静摩擦和滑动摩擦当两个相互接触的物体之间存在相对滑动的趋势（就是说：假如它们之间的接触是“光滑的”，将发生相对滑动）时，产生的摩擦力为静摩擦力，其方向与接触面上相对运动趋势的指向相反，大小视具体情况而定，由平衡条件或从动力学的运动方程解算出来，最大静摩擦力为式中称为静摩擦因数，它取决于接触面的材料与接触面的状况等，N为两物体间的正压力。当两个相互接触的物体之间有相对滑动时，产生的摩擦力为滑动摩擦力。滑动摩擦力的方向与相对运动的方向相反,其大小与两物体间的正压力成正比。为滑动摩擦因数，取决于接触面的材料与接触面的表面状况，在通常的相对速度范围内，可看作常量，在通常情况下，可不加区别，两物体维持相对静止的动力学条件为静摩擦力的绝对值满足在接触物的材料和表面粗糙程度相同的条件下，静摩擦因数略大于动摩擦因数。摩擦角 令静摩擦因数等于某一角的正切值，即，这个角就称为摩擦角。在临界摩擦（将要发生滑动状态下）,。支承面作用于物体的沿法线方向的弹力N与最大静摩擦力的合力F（简称全反力）与接触面法线方向的夹角等于摩擦角，如图1-1-11所示（图中未画其他力）。在一般情况下，静摩擦力未达到最大值，即NFfm图1-1-11AF图1-1-12v图1-1-13因此接触面反作用于物体的全反力的作用线与面法线的夹角，不会大于摩擦角，即。物体不会滑动。由此可知，运用摩擦角可判断物体是否产生滑动的条件。如图1-1-12放在平面上的物体A，用力F去推它，设摩擦角为，推力F与法线夹角为，当时，无论F多大，也不可能推动物块A，只有时，才可能推动A。摩擦力作用的时间 因为只有当两个物体之间有相对运动或相对运动趋势时，才有摩擦力，所以要注意摩擦力作用的时间。如一个小球竖直落下与一块在水平方向上运动的木块碰撞后，向斜上方弹出，假设碰撞时间为，但可能小球不需要时间，在水平方向上便已具有了与木块相同的速度，则在剩下的时间内小球和木块尽管还是接触的，但互相已没有摩擦力。 如图1-1-14，小木块和水平地面之间的动摩擦因数为，用一个与水平方向成多大FNGFG图1-1-14角度的力F拉着木块匀速直线运动最省力？将摩擦力和地面对木块的弹力N合成一个力，摩擦角为，这样木块受三个力：重力G，桌面对木块的作用力和拉力F，如图1-1-14，作出力的三角形，很容易看出当F垂直于最小，即有F与水平方向成时最小。AA图1-1-15例1、 例1、 如图1-1-15所示皮带速度为，物A在皮带上以速度垂直朝皮带边运动，试求物A所受摩擦力的方向。 解：物A相对地运动速度为，滑动摩擦力f与方向相反如图所示。例2、物体所受全反力R与法向的夹角的情形可能出现吗？图1-1-16解：不可能。因为若有则即。，这是不可能的。然而在要判断一个受摩擦物体是否静止时，可事先假定它静止，由平衡求出,有如下三种情形：1.2力的合成与分解 F1F2FF1F2F(a) (b) 图1-2-1121、力的合成遵循平行四边形法则即力的合力即此二力构成的平行四边形的对角线所表示的力F，如图1-2-1(a)根据此法则可衍化出三角形法则。即：将通过平移使其首尾相接，则由起点指向末端的力F即的合力。（如图1-2-1(b)）如果有多个共点力求合力，可在三角形法则的基础上，演化为多边形法则。如图1-2-2所示，a图为有四个力共点O，b图表示四个力矢首尾F1F2F3F4F1F2F3F4FF1F2F3F4F5(a) (b) (c) 图1-2-2相接，从力的作用点O连接力力矢末端的有向线段就表示它们的合力。而(c)图表示五个共点力组成的多边形是闭合的，即力矢的起步与力矢的终点重合，这表示它们的合力为零。力的分解是力的合成的逆运算，也遵循力的平行四边形法则，一般而言，一个力分解为两力有多解答，为得确定解还有附加条件，通常有以下三种情况：已知合力和它两分力方向，求这两分力大小。这有确定的一组解答。已知合力和它的一个分力，求另一个分力。这也有确定的确答。已知合力和其中一个分力大小及另一个分力方向，求第一个合力方向和第二分力大小，其解答可能有三种情况：一解、两解和无解。122、平面共点力系合成的解析法xyabcdeORxF1yF4yF3yF2yF1xF2xF3xF4xFyF1F2F3F4RyxyORxR图1-2-3(a)(b)如图1-2-3，将平面共点力及其合力构成力的多边形abcde，并在该平面取直角坐标系Oxy，作出各力在两坐标轴上的投影，从图上可见：上式说明，合力在任意一轴上的投影，等于各分力在同一轴上投影的代数和，这也称为合力投影定理。知道了合力R的两个投影和，就难求出合力的大小与方向了。合力R的大小为：合力的方向可用合力R与x轴所夹的角的正切值来确定：123、平行力的合成与分解作用在一个物体上的几个力的作用线平行，且不作用于同一点，称为平行力系。如图1-2-4如果力的方向又相同，则称为同向平行力。两个同向平行力的合力（R）的大小等于两分力ROABF2F1ABOF1F2R(a) (a) (b) 图1-2-4大小之和，合力作用线与分力平行，合力方向与两分力方向相同，合力作用点在两分力作用点的连线上，合力作用点到分力作用点的距离与分力的大小成反比，如图1-2-4(a)，有：两个反向平行力的合力（R）的大小等于两分力大小之差，合力作用线仍与合力平行，合力方向与较大的分力方向相同，合力的作用点YjkizYXZX图1-2-5在两分力作用点连线的延长线上，在较大力的外侧，它到两分力作用点的距离与两分力大小成反比，如图1-2-4(b)，有：124、空间中力的投影与分解力在某轴上的投影定义为力的大小乘以力与该轴正向间夹角的余弦，如图1-2-5中的力在ox、oy、oz轴上的投影X、Y、Z分别定义为ZXYFFxyO图1-2-6这就是直接投影法所得结果，也可如图1-2-6所示采用二次投影法。这时式中为在oxy平面上的投影矢量，而力沿直角坐标轴的分解式1.3共点力作用下物体的平衡131、共点力作用下物体的平衡条件几个力如果都作用在物体的同一点，或者它们的作用线相交于同一点，这几个力叫作共点力。当物体可视为质点时，作用在其上的力都可视为共点力。当物体不能视为质点时，作用于其上的力是否可视为共点力要看具体情况而定。物体的平衡包括静平衡与动平衡，具体是指物体处于静止、匀速直线运动和匀速转动这三种平衡状态。F1F2F3图1-3-1共点力作用下物体的平衡条件是；物体所受到的力的合力为零。或其分量式：如果在三个或三个以上的共点力作用下物体处于平衡，用力的图示表示，则这些力必组成首尾相接的闭合力矢三角形或多边形；力系中的任一个力必与其余所有力的合力平衡；如果物体只在两个力作用下平衡，则此二力必大小相等、方向相反、且在同一条直线上，我们常称为一对平衡力；如果物体在三个力作用下平衡，则此三力一定共点、一定在同一个平面内，如图1-3-1所示，且满足下式（拉密定理）：132、推论物体在n(n3)个外力作用下处于平衡状态，若其中有n-1个力为共点力，即它们的作用线交于O点，则最后一个外力的作用线也必过O点，整个外力组必为共点力。这是因为n-1个外力构成的力组为共点（O点）力，这n-1个的合力必过O点，最后一个外力与这n-1个外力的合力平衡，其作用线必过O点。特例，物体在作用线共面的三个非平行力作用下处于平衡状态时，这三个力的作用线必相交于一点且一定共面。1.4 固定转动轴物体的平衡141、力矩FOd图1-4-1力的三要素是大小、方向和作用点。由作用点和力的方向所确定的射线称为力的作用线。力作用于物体，常能使物体发生转动，这时外力的作用效果不仅取决于外力的大小和方向，而且取决于外力作用线与轴的距离力臂(d)。力与力臂的乘积称为力矩，记为M，则M=Fd，如图1-4-1，O为垂直于纸面的固定轴，力F在纸面内。力矩是改变物体转动状态的原因。力的作用线与轴平行时，此力对物体绕该轴转动没有作用。若力F不在与轴垂直的平面内，可先将力分解为垂直于轴的分量F和平行于轴的分量F，F对转动不起作用，这时力F的力矩为M=Fd。通常规定 绕逆时方向转动的力矩为正。当物体受到多个力作用时，物体所受的总力矩等于各个力产生力矩的代数和。142、力偶和力偶矩F1F2O图1-4-2一对大小相等、方向相反但不共线的力称为力偶。如图1-4-2中即为力偶，力偶不能合成为一个力，是一个基本力学量。对于与力偶所在平面垂直的任一轴，这一对力的力矩的代数和称为力偶矩，注意到，不难得到，M=Fd，式中d为两力间的距离。力偶矩与所相对的轴无关。143、有固定转动轴物体的平衡有固定转轴的物体，若处于平衡状态，作用于物体上各力的力矩的代数和为零。1.5 一般物体的平衡力对物体的作用可以改变物体的运动状态，物体各部位所受力的合力对物体的平动有影响，合力矩对物体的转动有影响。如果两种影响都没有，就称物体处于平衡状态。因此，一般物体处于平衡时，要求物体所受合外力为零和合力矩为零同时满足，一般物体的平衡条件写成分量式为分别为对x轴、y轴、z轴的力矩。由空间一般力系的平衡方程，去掉由力系的几何性质能自动满足的平衡方程，容易导出各种特殊力系的独立平衡方程。如平面力系（设在平面内），则自动满足，则独立的平衡方程为：这一方程中的转轴可根据需要任意选取，一般原则是使尽量多的力的力臂为零。平面汇交力系与平面平行力系的独立方程均为二个，空间汇交力系和空间平行力系的独立平衡方程均为三个。1.6 平衡的稳定性161、重心物体的重心即重力的作用点。在重力加速度为常矢量的区域，物体的重心是惟一的（我们讨论的都是这种情形），重心也就是物体各部分所受重力的合力的作用点，由于重力与质量成正比，重力合力的作用点即为质心，即重心与质心重合。求重心，也就是求一组平行力的合力作用点。相距L，质量分别为的两个质点构成的质点组，其重心在两质点的连线上，且与相距分别为： AOCPBXG1G2G3图1-6-1R 均匀规则形状的物体，其重心在它的几何中心，求一般物体的重心，常用的方法是将物体分割成若干个重心容易确定的部分后，再用求同向平行力合力的方法找出其重心。物体重心（或质心）位置的求法我们可以利用力矩和为零的平衡条件来求物体的重心位置。如图1-6-1由重量分别为的两均匀圆球和重量为的均匀杆连成的系统，设立如图坐标系，原点取在A球最左侧点，两球与杆的重心的坐标分别为，系统重心在P点，我们现在求其坐标x。设想在P处给一支持力R，令达到平衡时有：这样就得出了如图所示的系统的重心坐标。若有多个物体组成的系统，我们不难证明其重心位置为：一般来说，物体的质心位置与重心位置重合，由上面公式很易得到质心位置公式：P图1-6-2如图1-6-2，有5个外形完全一样的均匀金属棒首尾相接焊在一起，从左至右其密度分别为、1、2、3、4，设每根棒长均为，求其质心位置，若为n段，密度仍如上递增，质心位置又在什么地方？解：设整个棒重心离最左端距离为x，则由求质心公式有若为n段，按上式递推得：将坐标原点移到第一段棒的重心上，则上式化为：ABC图1-6-3例、如图1-6-3所示，A、B原为两个相同的均质实心球，半径为R，重量为G，A、B球分别挖去半径为的小球，均质杆重量为，长度，试求系统的重心位置。解：将挖去部份的重力，用等值、反向的力取代，图示系统可简化为图1-1-31所示平行力系；其中ABC图163。设重心位置为O，则合力且即OC=0.53R162、物体平衡的种类物体的平衡分为三类：稳定平衡 处于平衡状态的物体，当受到外界的扰动而偏离平衡位置时，如果外力或外力矩促使物体回到原平衡位置，这样的平衡叫稳定平衡，处于稳定平衡的物体，偏离平衡位置时，重心一般是升高的。不稳定平衡 处于平衡状态的物