Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 19: Năng lượng điện. Công suất điện

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Khi hoạt động, các thiết bị tiêu thụ điện biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác. Chẳng hạn, bóng đèn (Hình 19.1a) biến đổi một phần điện năng thành quang năng, quạt máy (Hình 19.1b) biến đổi một phần điện năng thành cơ năng, bàn là (Hình 19.1c) biến đổi điện năng thành nhiệt năng,...
Năng lượng điện mà các thiết bị tiêu thụ phụ thuộc vào các yếu tố nào?

Hướng dẫn trả lời:

Năng lượng điện mà các thiết bị tiêu thụ phụ thuộc vào các yếu tố là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch, cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch và với thời gian dòng điện chạy qua thiết bị hoạt động.

1. NĂNG LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA ĐOẠN MẠCH

Câu hỏi 1: Dùng các dây dẫn (có điện trở không đáng kể) nối hai đầu một điện trở với hai cực của một nguồn điện thành mạch kín. Khi này, dòng điện có sinh công trên các đoạn dây nối không? Vì sao?

Hướng dẫn trả lời:

Dòng điện sinh công rất nhỏ (có thể bỏ qua) trên các đoạn dây nối vì điện trở trên các dây dẫn là không dáng kể. Tuy nhiên, khi thực hiện điều này, hiện tượng đoản mạch sẽ xảy ra. Nếu nguồn điện có suất điện động lớn và điện trở trong nhỏ thì cường độ dòng điện qua mạch rất lớn, có thể gây nổ.

Câu hỏi 2: Xét hai điện trở R₁ và R₂ (R₂>R₁) được ghép song song thành bộ và nối vào hai cực của một nguồn điện. Hãy cho biết công suất tiêu thụ điện của điện trở nào lớn hơn. Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Khi ghép điện trở song song có: $U=U_{1}=U_{2}$

Công suất tiêu thụ điện của điện trở R₁ là: $P_{1}=\frac{U^{2}}{R_{1}}$

Công suất tiêu thụ điện của điện trở R₂ là: $P_{2}=\frac{U^{2}}{R_{2}}$

Mà $R_{1}<R_{2}\Rightarrow P_{1}>P_{2}$

Luyện tập: Đặt một hiệu điện thế 12V vào hai đầu một điện trở 8Ω.

a) Tính công suất tỏa nhiệt trên điện trở.
b) Tính nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở sau 1 phút.

Hướng dẫn trả lời:

a) Công suất tỏa nhiệt trên điện trở là: $P=\frac{U^{2}}{R}=\frac{12^{2}}{8}=18 W$.
b) Nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở sau 1 phút là: $Q=P.t=18.60=1080J$.

2. NĂNG LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT CỦA MỘT NGUỒN ĐIỆN

Câu hỏi 3: Khi nguồn điện được nối với mạch ngoài và phát ra dòng điện, nhiệt độ của nguồn điện có tăng lên không? Năng lượng của nguồn điện có thể được biến đổi thành những dạng năng lượng nào?

Hướng dẫn trả lời:

Khi nối nguồn điện với mạch ngoài và phát ra dòng điện thì nhiệt độ nguồn điện cũng tăng lên do hiệu ứng Joule trên điện trở trong của nguồn
Năng lượng của nguồn điện cung cấp trong toàn mạch, một phần toả nhiệt bên trong nguồn và phần còn lại biến thành dạng năng lượng khác tuỳ thuộc thiết bị nối vào nguồn.
Ví dụ: Với bóng đèn thì một phần biến thành nhiệt và một phần biến thành quang năng; với động cơ thì một phần biến thành nhiệt và một phần biến thành cơ năng...

Luyện tập: Một nguồn điện có suất điện động 11,5 V và điện trở trong 0,8 Ω được nối với mạch ngoài gồm các điện trở tạo thành một mạch kín. Nguồn phát dòng điện có cường độ 1 A. Tính công suất điện mà nguồn cung cấp cho mạch ngoài.

Hướng dẫn trả lời:

Công suất điện mà nguồn cung cấp cho mạch ngoài là: $P=\xi I-rI^{2}=11,5.1-0,8.1^{2}=10,7W$

Vận dụng: Một pin hay ắc quy khi lưu hành trên thị trường sẽ có thêm thông số cho biết về khả năng cung cấp điện của nó cho các thiết bị khác, đơn vị Ah (ampe giờ). Ví dụ: Một ắc quy có thông số 10 Ah có nghĩa nó có khả năng cung cấp dòng điện 1 A trong 10 giờ hoặc cung cấp dòng điện 5 A trong 2 giờ, hoặc cung cấp dòng điện 10 A trong 1 giờ,... Hiện nay, pin sạc dự phòng (Hình 19.2) đang được sử dụng phổ biến để nạp điện cho các thiết bị như điện thoại thông minh, máy tính bảng. Xét một pin sạc dự phòng có thông số 15 000 mAh đã tích đầy điện, khi được kết nối với một thiết bị di động sẽ hoạt động ở công suất 10 W và hiệu điện thế giữa hai cực của pin bằng 5 V. Tính điện lượng còn lại trong pin sạc dự phòng khi sử dụng nó để sạc thiết bị trên trong 30 phút.

Hướng dẫn trả lời:

Điện lượng ban đầu của pin sạc: $Q = 15000mAh = 15 Ah$

Điện lượng đã sạc cho thiết bị di động: $\Delta Q=It=\frac{P}{Q}t=\frac{10}{5}.0,5=1 Ah$

Điện lượng còn lại của pin sạc: $Q-\Delta Q=15-1=14 Ah$

BÀI TẬP

Bài 1: Mắc hai cực của một nguồn điện không đổi có suất điện động 6,0V và điện trở trong 0,5 Ω vào hai đầu một điện trở R = 3,5 Ω để tạo thành mạch kín. Bỏ qua điện trở các dây nối. Tính nhiệt lượng toả ra trên điện trở R trong 1 phút.

Hướng dẫn trả lời:

Cường độ dòng điện của mạch là: $I=\frac{\xi}{R+r}=\frac{6}{3,5+0,5}=1,5 A$

Nhiệt lượng toả ra trên điện trở R trong 1 phút là: $A=\xi It-rI^{2}t=6.1,5.60-0,5.1,5^{2}.60=472,5 J$

Bài 2: Mắc hai cực của một nguồn điện không đổi vào hai đầu biến trở R. Điều chỉnh R người ta thu được đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ dòng điện chạy qua biến trở vào giá trị biến trở (Hình 19.1P). Xác định suất điện động và điện trở trong của nguồn điện.

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: $I=\frac{\xi}{R+r}$
với $R=2\Omega$ thì $I=2,5A \Rightarrow 2,5=\frac{\xi}{2+r}$
với $R=8\Omega$ thì $I=1A \Rightarrow 1=\frac{\xi}{8+r}$
$\Rightarrow \xi =10V, r=2\Omega$