сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 254
i

По­лез­ная на­груз­ка вклю­че­на по­сле­до­ва­тель­но с па­ра­зит­ным со­про­тив­ле­ни­ем r и ис­точ­ни­ком на­пря­же­ния в цепь по­сто­ян­но­го тока. По­лез­ная на­груз­ка со­сто­ит из двух па­рал­лель­но вклю­чен­ных со­про­тив­ле­ний, каж­дое из ко­то­рых мо­де­ли­ру­ет ра­бо­та­ю­щий завод. На этапе стро­и­тель­ства этой си­сте­мы элек­тро­снаб­же­ния хо­зя­е­ва за­во­дов до­го­во­ри­лись, что их за­во­ды будут по­треб­лять оди­на­ко­вую мак­си­маль­но воз­мож­ную мощ­ность, причём на­пря­же­ние на ис­точ­ни­ке пи­та­ния долж­но было рав­нять­ся U. В про­цес­се экс­плу­а­та­ции один из хо­зя­ев в ко­рыст­ных целях в тайне от ком­па­ньо­на решил из­ме­нить со­про­тив­ле­ние сво­е­го за­во­да так, чтобы по­треб­лять мак­си­маль­но воз­мож­ную мощ­ность. Введённый в экс­плу­а­та­цию ис­точ­ник пи­та­ния при из­ме­не­нии на­груз­ки из­ме­ня­ет на­пря­же­ние, со­хра­няя вы­да­ва­е­мую мощ­ность. Чему равны по­треб­ля­е­мые мощ­но­сти каж­до­го за­во­да до од­но­сто­рон­не­го из­ме­не­ния па­ра­мет­ров од­но­го из них? Чему стала равна по­треб­ля­е­мая мощ­ность из­ме­нив­ше­го свои па­ра­мет­ры за­во­да и на сколь­ко из­ме­ни­лась сум­мар­ная по­треб­ля­е­мая мощ­ность обе­и­ми за­во­да­ми?

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

Пусть со­про­тив­ле­ние каж­до­го за­во­да равно 2R0, тогда со­про­тив­ле­ние по­лез­ной на­груз­ки равно R0. Ток I, про­те­ка­ю­щий через цепь, равен

I= дробь: чис­ли­тель: U, зна­ме­на­тель: r плюс R_0 конец дроби .

По­это­му мощ­ность P0, вы­де­ля­ю­ща­я­ся на одном за­во­де, равна

P_0=2 R_0 левая круг­лая скоб­ка I / 2 пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те = дробь: чис­ли­тель: R_0 / r, зна­ме­на­тель: левая круг­лая скоб­ка 1 плюс R_0 / r пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те конец дроби дробь: чис­ли­тель: r U в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: 2 конец дроби .

Для на­хож­де­ния мак­си­маль­но воз­мож­ной по­треб­ля­е­мой за­во­дом мощ­но­сти нам надо найти мак­си­мум функ­ции x/(1 + x)2, где под x стоит без­раз­мер­ное со­про­тив­ле­ние R0/r. Не при­бе­гая к тех­ни­ке на­хож­де­ния мак­си­му­ма по нулю про­из­вод­ной, мак­си­мум дан­ной функ­ции можно найти сле­ду­ю­щим об­ра­зом. Во‐пер­вых за­ме­тим, что эта функ­ция равна нулю при x  =  0 и снова стре­мит­ся к нулю когда xarrow бес­ко­неч­ность . То есть, она огра­ни­че­на и имеет мак­си­мум где‐то в рай­о­не точки x  =  1. Для опре­де­ле­ния этой точки найдём, при каком \mu боль­ше 0

 дробь: чис­ли­тель: x, зна­ме­на­тель: левая круг­лая скоб­ка 1 плюс x пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те конец дроби мень­ше или равно дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: 2\mu конец дроби

не­стро­гое не­ра­вен­ство ни­ко­гда не на­ру­ша­ет­ся, один раз пе­ре­хо­дя в ра­вен­ство. Пре­об­ра­зуя это не­ра­вен­ство, по­лу­ча­ем ему эк­ви­ва­лент­ное x в квад­ра­те плюс 2 левая круг­лая скоб­ка 1 минус \mu пра­вая круг­лая скоб­ка x плюс 1 боль­ше или равно 0. От­ку­да сле­ду­ет, что \mu = 2, при этом ра­вен­ство до­сти­га­ет­ся при x  =  1. Итак, воз­вра­ща­ясь к со­про­тив­ле­ни­ям, за­клю­ча­ем, что со­про­тив­ле­ние каж­до­го за­во­да равно 2r, а по­треб­ля­е­мая каж­дым за­во­дом и вы­да­ва­е­мая ис­точ­ни­ком мощ­но­сти равны P_0= дробь: чис­ли­тель: U в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: 8r конец дроби , P_full= дробь: чис­ли­тель: U в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: 2r конец дроби . Те­перь пе­рейдём к слу­чаю, когда на одном из за­во­дов из­ме­ни­ли со­про­тив­ле­ние с тем, чтобы мак­си­ми­зи­ро­вать по­треб­ля­е­мую мощ­ность. Пусть со­про­тив­ле­ние этого за­во­да стало рав­ным R  =  yr, а на­пря­же­ние на ис­точ­ни­ке пи­та­ния стало рав­ным V. Со­про­тив­ле­ние по­лез­ной на­груз­ки RL, пол­ное со­про­тив­ле­ние цепи Rfull, пол­ная мощ­ность ис­точ­ни­ка и на­пря­же­ние VL на по­лез­ной на­груз­ке равны

R_L= дробь: чис­ли­тель: 2 y, зна­ме­на­тель: 2 плюс y конец дроби r,

R_\text full =r левая круг­лая скоб­ка 1 плюс дробь: чис­ли­тель: 2 y, зна­ме­на­тель: 2 плюс y конец дроби пра­вая круг­лая скоб­ка ,

P_\text full = дробь: чис­ли­тель: V в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: R_\text full конец дроби = дробь: чис­ли­тель: U в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: 2 r конец дроби ,

V_L= дробь: чис­ли­тель: R_L, зна­ме­на­тель: r плюс R_L конец дроби V.

По­треб­ля­е­мая «за­во­дом-на­ру­ши­те­лем» мощ­ность равна

P_max= дробь: чис­ли­тель: V_L в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: R конец дроби = дробь: чис­ли­тель: 4 y, зна­ме­на­тель: левая круг­лая скоб­ка 2 плюс y пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка 2 плюс 3 y пра­вая круг­лая скоб­ка конец дроби P_\text full .

Для того, чтобы найти мак­си­мум по­лу­чен­ной функ­ции от y, ис­поль­зу­ем уже опи­сан­ный прием: не­стро­гое не­ра­вен­ство

 дробь: чис­ли­тель: 4y, зна­ме­на­тель: левая круг­лая скоб­ка 2 плюс y пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка 2 плюс 3y пра­вая круг­лая скоб­ка конец дроби мень­ше или равно дробь: чис­ли­тель: 1, зна­ме­на­тель: \mu конец дроби

эк­ви­ва­лент­но не­ра­вен­ству

3y в квад­ра­те плюс 4 левая круг­лая скоб­ка 2 минус \mu пра­вая круг­лая скоб­ка y плюс 4 боль­ше или равно 0 \Rightarrow 2 левая круг­лая скоб­ка 2 минус \mu пра­вая круг­лая скоб­ка = минус ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 умно­жить на 4 конец ар­гу­мен­та \Rightarrow \mu=2 плюс ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та .

При этом ра­вен­ство до­сти­га­ет­ся при y=2/ ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та , то есть со­про­тив­ле­ние «за­во­да‐на­ру­ши­те­ля» и по­треб­ля­е­мая им мощ­ность

R= дробь: чис­ли­тель: 2, зна­ме­на­тель: ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та конец дроби r, P_max= дробь: чис­ли­тель: P_full, зна­ме­на­тель: \mu конец дроби = дробь: чис­ли­тель: 4, зна­ме­на­тель: 2 плюс ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та конец дроби P_0.

Как видно, на­ру­ши­те­лю лучше всего умень­шить со­про­тив­ле­ние его за­во­да в  ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та раз, по­треб­ля­е­мая им мощ­ность воз­растёт в 4/ левая круг­лая скоб­ка 2 плюс ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та пра­вая круг­лая скоб­ка раза. Пол­ная же по­лез­ная по­треб­ля­е­мая мощ­ность умень­шит­ся со зна­че­ния 2P0, став рав­ной

P_L= левая круг­лая скоб­ка 1 плюс дробь: чис­ли­тель: R, зна­ме­на­тель: 2 r конец дроби пра­вая круг­лая скоб­ка P_max= дробь: чис­ли­тель: 4, зна­ме­на­тель: 3 плюс ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та конец дроби 2 P_0.

Чис­лен­ные зна­че­ния та­ко­вы: путём не­чест­ных ма­хи­на­ций, вла­де­лец од­но­го из за­во­дов су­ме­ет уве­ли­чить по­треб­ля­е­мую им мощ­ность в 1,07 раз, тогда как по­треб­ля­е­мая мощ­ность у дру­го­го за­во­да из­ме­нит­ся на­мно­го силь­нее, став рав­ной 0,62 от но­ми­наль­ной.

 

Ответ: смот­ри ре­ше­ние.

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Кри­те­рии по за­да­ниюБаллы
За­пи­сан закон Ома для цепи2
Най­де­ны со­про­тив­ле­ния за­во­дов в ре­жи­ме рав­но­го оп­ти­маль­но­го по­треб­ле­ния4
Най­де­ны пол­ная мощ­ность ис­точ­ни­ка и по­треб­ля­е­мая каж­дым за­во­дом мощ­ность2
За­пи­са­но усло­вие со­хра­не­ния пол­ной мощ­но­сти ис­точ­ни­ка при из­ме­не­нии од­но­го из со­про­тив­ле­ний2
За­пи­са­но общее вы­ра­же­ние для мощ­но­сти, по­треб­ля­е­мой «за­во­дом‐на­ру­ши­те­лем»1
За­пи­са­но вы­ра­же­ние для мощ­но­сти, по­треб­ля­е­мой «за­во­дом‐на­ру­ши­те­лем», с учётом не­из­мен­ной мощ­но­сти ис­точ­ни­ка3
Про­ве­де­на мак­си­ми­за­ция вы­ра­же­ния для мощ­но­сти, «за­во­дом‐на­ру­ши­те­лем». Най­де­ны от­ве­ты для этой мощ­но­сти и для общей мощ­но­сти вы­де­ля­ю­щей­ся на по­лез­ной на­груз­ке по­треб­ля­е­мой6
Классификатор: Элек­тро­ди­на­ми­ка. Ра­бо­та и мощ­ность элек­три­че­ско­го тока