第23届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答及评分标准

附参考解法:

二极管可以处在导通和截止两种不同的状态.不管D1和D2处在什么状态,若在时刻t,A点的电压为uA,D点的电压为uD,B点的电压为uB,电容器C1两极板间的电压为uC1,电容器C2两极板间的电压为uC2,则有

uD?uA?uC1

(1) (2) (3) (4)

uB?uC2

uC1?uA?uD?uC2q1 Cq?uB?uG?2

C式中q1为C1与A点连接的极板上的电荷量,q2为C2与B点连接的极板上的电荷量.

若二极管D1截止,D2导通,则称电路处在状态I. 当电路处在状态I时有

uD?uB uD?0

(5)

若二极管D1和D2都截止,则称电路处在状态II. 当电路处在状态II时有

uD?uB uD?0

(6)

若二极管D1导通,D2截止,则称电路处在状态III.当电路处在状态III时有

uD?uB uD?0

(7)

电路处在不同状态时的等效电路如图3所示.

C1 D A C1 D A A B B D2 D2

状态I

状态II 图3

状态III

C1 D D2 D1 B C2 G uA D1 C2 G uA D1 C2 G uA 在t?0到t?2T时间间隔内,uD、uB随时间t的变化情况分析如下:

1. 从t?0起,uA从0开始增大,电路处在状态???,C1、C2与电源组成闭合回路. 因C1、C2的电容相等,初始时两电容器都不带电,故有

1uC1?uC2?uA

2

1uD?uB?uA

211在uA达到最大值即uA = U时,对应的时刻为t?T,这时uD?uB?U,也达到最大值. uA达到最大值后

421将要减小,由于D2的单向导电性,电容器C?、C?都不会放电,uC1和uC2保持不变,uD将要小于U,即

21将要小于uB ,D2将由导通变成截止,电路不再处于状态I. 所以从t = 0到t?T时间间隔内,uD、uB随时

4

间t变化的图线如图4、图5中区域I 内的的直线所示.?

2. 从t?T起,因uD小于uB ,D2处在截止状态,电路从状态???变为状态???. 因为二极管的反向电阻为无限大,电容器C?、C?都不会放电,两极板间的电压都保持不变.当电路处在状态???时,D点的电压

B点的电压

141uD?uA?U

21uB?U

2311随着uA从最大值U逐渐变小,uD亦变小;当uA?U时,对应的时刻为t?T,uD?0.如果uA小于U,

82213则uD将小于0,D1要从截止变成导通,电路不再处在状态II.所以在t?T到t?T时间间隔内,uD、uB

48?

随t变化的图线如图4和图5中区域?????内的直线所示.

3.从t?T起,uA从U开始减小,D1导通,但uD?uB,D2仍是截止的,电路从状态II变为状态III.当电路处在?状态?????时有?

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3812uD?0?

?????????????????????????????????????????????????

1uB?U?

2在uA减小的过程中,C1两极板间的电压uC1(= uA)也随之改变,从而维持uD为0. 当uA达到反向最大值即uA??U时,对应的时刻为t?T,uC1??U.若uA从?U开始增大(?U减小),因D1的单向导电性,电容器C1不会放电,uC1??U保持不变,uD?uA?uC1?0,D1要从导通变成截止,电路不再处于状态III.所以在t?T到t?T时间间隔内,uD、uB随t变化的图线如图4和图5中区域??????内的直线所示.

4. 从t?T起,uA从?U开始增大, D1变为截止状态,uD?uA?U从零开始增大,只要uD仍小于uB,D2仍是截止的,电路从状态III变为状态II. 当电路处在?状态?????时,C1和C2不会放电,电容器两极板

34383434

间的电压保持不变. 故有

uD?uA?U

1uB?U

2711当uA增大至?U时,对应的时刻为t?T,uD?uB?U. 若uA再增大,uD将要大于uB,D2将要从截

82237止变为导通,uD?uB,电路不再处于状态II. 所以在t?T到t?T时间间隔内,uD、uB随t变化的图线

48

如图4和图5中?区域?????中的直线所示.

5. 从t?T起,uA要从?U增大, D2变为导通状态,这时D1仍是截止的,电路又进入状态I. 当电路处在?状态I时,电源与C1、C2构成闭合回路,而

7812uD?uB

uA?q1q2? CC当uA变化时,q1?q2将随之变化,但由导通的二极管D2连接的C1、C2的两块极板所带的总电荷量?q1?q21213 ?q1?q2?CU?CU?CU

22由以上有关各式得

是恒定不变的.由于在t?T时刻,uC1??U,uC2?U,此时q1??CU,q2?CU,故有

7812 uD?uB?U?uA

uD、uB随着uA的增大而增大. 当uA达到最大值即uA?U时,对应的时刻为t?T,uD?uB?U.由于D2单向导电,uB?uC2只增不减,uA从最大值减小时,uC1不变,uD将要小于U,而uB?uC2保持为U,因而uD?uB,D2从导通变成截止,电路不再是状态I. 所以在t?T到t?变化的图线如图4和图5中? I2中的直线所示.

6. 从t?T起,uA从U开始减小, D2变为截止状态,这时D1仍是截止的,电路又进入状态II. 当电路处在?状态?????时,C1和C2不会放电,电容器两极板间的电压保持不变. 由t?T时刻的uD和uA的值可知此时uC1??U. 故有

341254545454785T时间间隔内,uD、uB随t45454141uD?uA?U

4

当uA减少至?U时,对应的时刻为t?所以在t?T到t?5uB?U

425T,uD?0,以后D1将由截止变为导通,电路不再处在状态II. 161425T时间内,uD、uB随t变化的图线如图4和图5中? II3中的直线所示. 162517. 从t?T起,uA从?U开始减小,D1变为导通状态,但D2仍是截止的,电路又进入状态III,故

16454有

uD?0

5uB?U

474在uA减小的过程中,C1两端的电压uC1也随之改变,开始阶段D1保持导通,uD = 0. 但当uA减小至-U时,对应的时刻为t?T,uC1 = U. 因D1单向导电,且uD?uB,C1右极板的正电荷只增不减,uA到达-U后要增大,uD要大于0,D1要从导通变为截止,电路不再处于状态III. 所以在t?uD、uB随t变化的图线如图4和图5中III2内的直线所示.

8. 从t?T起,uA从-U开始增大,D1变为截止状态,D2仍是截止的,电路又进入状态II. 当电路处于状态???时,C1和C2不会放电,电容器两极板间的电压保持不变.由t?T时刻的uD和uA的值可知,此时uC1??U.故有

725T到t?T时间间隔内,

4167474uD?uA?U

5uB?U

4uD将随着uA的增大而增大.当uA=U时,对应的时刻t?335T?2T,uD =U,与uB相等.以后uD要大于16475U,D2要从截止变为导通,电路不再是状态II. 所以在t?T到t?2T时间间隔内,uD、uB随t变化的

4414图线如图4和图5中II4内的直线所示.

总结以上讨论,各时段起讫时刻及uD和uB变化值如下表所示:

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