数学题,用二阶线性微分方程,求出由电容器感应器电阻器构成的闭合电路中的电压及电流:

符号:电压u,电流i。第一步,列出二阶微分方程,LCu''+RCu'+u=E(其中,u为电压,C为电容,R为电阻,L为感应系数,E为电动势)

[此方程由L×di/dt+R×i+u=E转变而来(di/dt表示“电流”i对“时间”t求导),将i化为u的过程如下:由于i=dq/dt,C=Q/U,即Q=UC,即q=uc,所以dq/dt化为d(uc)/dt,又因C是常数,常数可分离,所以电流i=dq/dt=d(uC)/dt=C×du/dt=C×u'(u'表示u的导数),即iR=Cu'R。∵i=Cu',∴di/dt是C×u'对t求导,即为C×u''(u''表示u的二阶导数,即对u'求导)。原方程L×di/dt+R×i+u=E即化为LCu''+RCu'+u=E,原方程的含义是,内部元件总的电压相加等于总的电势能]

第二步,消除二阶导数u''前的系数,等式两边同时除以LC,微分方程变为u''+R/L×u'+1/LC×u=E/LC。分别代入R,L,C,E的常数值于方程中,其中E单位V,C单位F(1F=10^6μF)(^表示“幂”的意思,如2^3=2³=2的3次方)(以下将多次用到,请牢记,^表示“幂”的含义),L单位H,R单位Ω,将微分方程的系数化为常数,算得,u''+10^4×u'+5×10^7×u=10^9。

第三步,列出二阶微分方程的“特征方程”,将u''换为r²,u'换为r,u改为1,等式右边消为0,即是“特征方程”,列出一元二次方程:r²+10^4×r+5×10^7=0,求r的解(这一步是为了求出r的取值,代入可得“微分方程”的“通解”)。

如r有两个根,则分别记r1和r2,则微分方程的通解是C1×e^r1x+C2×e^r2x(C1和C2分别表示任意常数。x仅指被求导的对象,如果导数为du/dt,则把x换为t)。

如只有一个根,r1=r2=r,则微分方程的通解是(C1+C2X)×e^rx。

如r为虚数根,表达式为r=α±iβ(i是虚数),则微分方程通解的表达式为e^αx×(C1×cosβx+C2×sinβx)。

本题解得r=-5×10³±5×10³i,即r为虚数根,且α=-5×10³,β=5×10³,把x改为t,则通解为U=e^(-5×10³)t×[C1×cos(5×10³)t+C2×sin(5×10³)t]

第四步,求“特解”,呼应通解,微分方程的“解”等于“通解”加“特解”,通解求出,来求“特解”,求特解时,等式右边还原函数多项式。(U*表示U的特解)设U*为微分方程的特解,假定U*等于三项未知数相乘。三项未知数根据等式右边函数的三项而确定,讲三看!一看,等式右边有无e,等式右边的乘式如果有e^λx元素(λ为任意常数),则U*的乘项中添加一项e^λx;二看,等式右边的函数关于X的最高次数,如是一次方,如X,则U的乘项中添加一项(ax+b),如是二次方,如X²,则U*的乘项中添加一项(ax²+bx+c),x从最高次方依次递减,减到0次幂,前跟常项系数,依此类推;三看,右式中e^λx,λ的取值,将λ与r的根对照,如相等,λ等于r的一个根,则U*乘项中添一个X,λ等于r的两个根,则U*乘项中添一个X²,如不等,则不添。三项相乘,则将U*未知数的表达式求出。例如此题,右式为10^9,无e,因e^0x=1,则λ=0,即λ≠-5×10³±5×10³i,则不添X。又,∵右式e^λx=e^0x=1,则U*乘项添1。右式无X,即为Xº,则左式设单一常数A,1×A=A,即U=A

第五步,将u=A代入微分方程u''+10^4×u'+5×10^7×u=10^9中,即A''+10^4×A'+5×10^7×A=10^9,得A=20,U*=20,则U=e^(-5×10³)t×[C1×cos(5×10³)t+C2×sin(5×10³)t]+20(通解+特解)

第六步,求出C1与C2的具体取值,代入“初值条件”,当t=0时,u=0,∵初始电压为0。再代入t=0时,u'=0,∵初始电流i=0,而电流i=C×u',C≠0,即u'=0。再将方程式U=e^(-5×10³)t×[C1×cos(5×10³)t+C2×sin(5×10³)t]+20求导,得U'=e^(-5×10³)×[(-5×10³×C1+5×10³×C2)×cos(5×10³)t+(-5×10³×C2-5×10³×C1)×sin(5×10³)t],将t=0时,u=0,u'=0代入解析式,得出C1=-20,C2=-20,将C1和C2代入U中,即U=-20×e^(-5×10³)t[cos(5×10³)t+sin(5×10³)t]+20(V),U得出。

求电流i,∵i=C×u',即,u'=e^(-5×10³)×(-20)×(-10×10^3)×sin(5×10³)t,C=0.2×10^-6(法),

代入得i=4×10^(-2)×e^(-5×10³)t×sin(5×10³)t(A),i得出。

THE END
0.设电源电动势为E.内阻为r.则路端电压U和闭合电路的电流I的关系(2)在闭合电路中,电动势:E=U+Ir,则路端电压U=E-Ir; (3)由图丙所示图象可知,图象与纵轴的交点坐标值是2.9,则电源电动势为1.9V, 电源内阻r= △U △I = 2.9-2 0.56 ≈1.6Ω; 故答案为:(1)电路图如图所示;(2)U=E-Ir;(3)2.9;1.6. jvzq<84yyy422:5lkcpjcx3eqo5h|€q1ujoukhnfa3?8e?fh5;
1.谁能帮我解决一下物理中U和E的问题`U和E在什么情况下分别代表什么U都是指电容器两端的电压. APP内打开 结果2 举报 E是电动势 U是某一段的电压 结果3 举报 你做的题目是有关平行板电容器的一类题目:平行板之间的电压和其内部的匀强电场有U=Ed 的关系。但是 有一题说电容器保持与电源接通,所以U不变(U=E)是不是题目做了,或者就是题目告诉你两板之间的距离为1m,是不jvzquC41sd4{wx~gdcth0lto1zlf/zzguvopp8vwguzjqw467583;:;f7e8e5Bk2;hh66>;3h;:b3k90jvsm
2.的U.将三个不同的电源的U-I图线画在同一坐标中.如图所示.其中1和2平行.它们的电动势分别为E1.E2.E3.则它们之间的关系是A.E1=E2>E3B.E1>E2>E3C.E1>E2=E3.D.E1=E2<E3jvzquC41o07139okclobq7hqo1m{yu4ujkzjaria99798@67g5k37Aj4ffh8;=j:cc
3.实验中一位同学在图中画出U13.在用电压表和电流表测电池的电动势和内阻的实验中一位同学在图中画出U-I图象.根据图象读出电池的电动势E=1.46 V.求出电池的内阻r=0.708Ω.jvzq<84yyy422:5lkcpjcx3eqo5h|€q1ujoukhnfadg24j:cd9669n66:g8699gfeh78;?:6h
4.在如图所示的电路中,E为电源电动势,r为电源内阻,R1和R3均为定值在如图所示的电路中,E为电源电动势,r为电源内阻,R1和R3均为定值电阻,R2为滑动变阻器.当R2的滑动触点在中央时合上开关S,此时三个电表A1、A2和V的示数分别为I1、I2和U.现将R2的滑动触点向a端移动,则三个电表示数的变化情况是( )A.I1增大,I2不变,U增大B.I1减小,I2不变,U减小C.I1减小,I2增大,U减jvzquC41yy}/|‚gcpi4dqv4swgyukxs1;7l:dB543;h3g9he5hl9cm67e3ldhj>40jznn
5.伏安特性实验误差分析实验3:测量电源电动势和内阻测量电动势E用内接法无误差,即E=U2。测内阻r用外接法,由外接法U-I图可知,当U=0时,即外电路短路时,电流为I1。对应外接法电路图甲图,外电路短路,相当于接导线,此时电压表分流IV=0,则此时电源内阻r=U2/I1。 三、图像法求电动势E和内阻r 1、伏安法(U-I图)测E和r 依据电路图甲列闭合电路欧姆定律公式:U=E-Ir,可知U-I图 jvzquC41dnuh0lxfp0tfv8|gkzooa=77238828ftvkimg8igvcomu86349649?6
6.准确测算电压电流的双测法E=30 Gmv1=-0.6250 Gmv2=-0.2500 结果是 E = 30V , R = 500 kΩ , U = 20V ,γV1=−62.5% ,γ V 2 = −25% 。 可见,测量的电压U1 低于实际电压U62.5% ,显然是不可采信的。真实的负载端电压是20V 。 2 准确测算负载电流I和电源电动势E及其内阻r[1] jvzquC41yy}/gnuy0eun0ls1ctzjeuj142832=46556297mvo