拿一个正方体电阻挖去其中的1/27体积,怎么挖得使电阻最小?

发布日期:2018-06-03 来源:财富国际在线 阅读:
拿一个正方体电阻挖去其中的1/27体积,怎么挖得使电阻最小? Patrick Zhang 1小时前 80 正方体 电阻 假设可以使用超导体让立方体电阻左右两个平面分别等电势 挖空部分可以不连续 将一个正方体电阻平均分为九份,挖掉中间一块,现在的电阻是多少? - 物理学
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其他回答
蛮有意思的问题。
(1)先建立模型
我们来看下图:
此图是一个正方体,它的边长都是1,电阻率为,于是此立方体的电阻为:

可见此立方体的电阻就是电阻率。
我们来看下图:
其中A层也即图4由完整的9个立方体构成,相当于9个立方体并联,其电阻为:
而B层也即图1、图2和图3都是去掉其中一个立方体,相当于8个立方体并联,其电阻为:
我们发现,不管B层用何种方式取掉一个立方体,其电阻均为:
根据题主的题意,我们知道系统由两个A层和一个B层串联而成,以此总电阻R为:

(2)现在我们来考虑题主的问题,如何挖使得总电阻为最小?
由于不管怎么安排,不外乎2个A层和1个B层如何串联而已,总电阻既不会增加,也不会减少,都是。
(3)如果结合电流流向因素又会如何?
相信,这才是关键。如果电流从前后两个平面流入和流出,或者沿着两个对角线流入和流出,电阻的阻值还会一样吗?
沿着前后两个平面流入和流出,电阻应当是不变的。但沿着对角线流入和流出会怎样呢?
我们发现,电流沿着对角线流入和流出,由于长度增加了,并且截面也是逐步增加的,虽然没有去计算,但是估计电阻是会增加的。显然,这和题主求电阻最小是矛盾的。我们就不再考虑这个方案。
顺便说一下,沿着对角线计算电阻需要用定积分才行。
(4)新方法
我们还是让电流沿着前后两个平面流入和流出来考虑。
题主的题目中说过,求挖去正立方体体积的1/27,但是并未说挖去的体积一定也是立方体,所以我们可以用另外一个思路来求解。
我们知道,电阻与导体长度成正比,与截面面积成反比。如果我们把正立方体沿着长度方向削掉一层,使削掉的体积正好等于正方体体积的1/27,这样截面积不变,而长度减小了。总电阻当然也减小了。
我们看下图:
立方体的总体积为:,故其1/27的体积就是1。又知道立方体的截面为:3X3=9,因此削掉的长度为1/9。于是有:

显然,这下小了很多。一下子减少了%,很不错的方案。
没时间再考虑了。把问题还给知友们吧。看看还有什么好办法。
Patrick Zhang 30分钟前 0条评论
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谢邀。。。这个系列问题也太搞了。。。
答案非常简单,只要挖掉从正极到负极的正柱体即可,比如这样:
蓝色是负极面,红色是正极面。
至于你挖掉的柱体是方的还是圆的,在边缘还是在中心,都一样。反正电阻是之前的27/26。

证明过程如下图:
(注意,图中的红色部分,是理想导体,电阻为0。)
上图中,最右边的不等号的来源,是由于电流遇到挖掉的洞要绕弯,造成的电流路径增加,形成额外电阻。具体可以看将一个正方体电阻平均分为九份,挖掉中间一块,现在的电阻是多少? - qcmsqas 的回答。或者简单点理解,在原本的电阻中间插入几块电阻为0的理想导体,帮助它导电,电阻总归是减少,至少不会增加。
而左边的不等号,可以从数学上证明:
对于正数和正整数
当且任意时,,
如果上面的不等式觉得难证明,可以先尝试证明下面这个n=2的特殊情况:
,当
这个证明过程初中数学应该就够用了。
于是我们得到了电阻最小的挖洞法:挖掉正柱体,得到电阻是之前的27/26。
qcmsqas 30分钟前 0条评论
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