Giải chi tiết Vật lí 11 kết nối mới bài 25: Năng lượng và công suất điện

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Bảng bên ghi giá trị một số nội dung trong Hóa đơn tiền điện giá trị gia tăng (GTGT) của Công ty điện lực. Em hãy cho biết ý nghĩa của các số liệu trong bảng.

Hướng dẫn trả lời:

Trong hóa đơn cho biết lượng điện tiêu thụ hết 272 số điện tức là 272 kW, 50 số điện đầu tiên có giá 1549 đồng, 50 số điện tiếp theo có giá 1600 đồng, 100 số điện tiếp theo có giá 1858 đồng, 72 số điện cuối có giá 2340 đồng, tổng cộng tiền điện hết 511730 đồng, thêm 10% thuế nên tổng hóa đơn là 562903 đồng.

I. NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

Câu hỏi 1: Năng lượng điện tiêu thụ trong dụng cụ, thiết bị dùng điện ở Hình 25.1 chuyển hóa thành dạng năng lượng nào nhiều nhất?

Hướng dẫn trả lời:

Trong trường hợp xe đạp điện, điện năng chuyển hóa thành cơ năng nhiều nhất. Với ấm đun nước thì điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng mới nhất, với bóng đèn dây tóc thì điện năng chuyển hóa thành quang năng và nhiệt năng. 

Câu hỏi 2: Hãy chứng minh rằng, nếu đoạn mạch chỉ có điện trở R (đoạn mạch thuần điện trở) thì nhiệt lượng đoạn mạch tỏa ra khi có dòng điện chạy qua được tính bằng công thức: $ Q=I^{2}.Rt= \frac{U^{2}}{R}t$

Hướng dẫn trả lời:

Nhiệt lượng của đoạn mạch tỏa ra khi có dòng điện chạy qua là: Q=UIt
mà $R=\frac{U}{I} \Rightarrow Q=I^{2}.Rt= \frac{U^{2}}{R}t$ 

II. CÔNG SUẤT ĐIỆN

Câu hỏi: Hãy chứng minh $1kW.h = 3,6.10^{3} kJ$

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: 1J = 1W. 1s
1kW = 1000W
1h = 3600s
$\Rightarrow 1kW.h= 1000W.3600s = 3,6.10^{3} kJ$

Hoạt động 1: Trên hoá đơn GTGT (tiền điện) ở đầu bài học, tiền điện được tính luỹ tiến (càng dùng điện nhiều thì đơn giá của 1 kWh điện càng tăng). Theo em, cách tính này nhằm những mục đích gì? Tại sao?

Hướng dẫn trả lời: 

Ý nghĩa của việc tính tiền điện lũy tiến (càng dùng điện nhiều thì đơn giá của 1 kWh càng tăng). Cách tính này nhằm mục đích: Thứ nhất để mỗi cá nhân hoặc đơn vị sử dụng điện cần tiết kiệm điện năng; thứ hai, nếu đơn vị sản suất sử dụng nhiều điện năng cũng có nghĩa là hàng hoá hoặc sản phẩm kinh tế họ tạo ra cũng tăng theo điện năng sử dụng nên cách tính tiền điện luỹ tiến như vậy là hợp lí.

Hoạt động 2: Cho các thông tin về bóng đèn sợi đốt và bóng đèn LED cùng có độ sáng như sau:

Giả sử trung bình mỗi bóng đèn sử dụng 5h/ngày, em hãy tính tiền điện phải trả cho từng bóng đèn mỗi tháng và trong 30 000 h, từ đó lập luận để so sánh về hiệu quả kinh tế khi sử dụng hai loại bóng đèn trên.

Hướng dẫn trả lời:

$\Rightarrow$ Để phục vụ ánh sáng sinh hoạt trong thời gian dài, ta nên dùng bóng đèn LED sẽ nhiều hiệu quả về kinh tế hơn, và tiết kiệm điện năng hơn rất nhiều.

III. BÀI TẬP

Bài 1: Trên nhãn của bóng đèn 1 có ghi 220 V – 20 W và bóng đèn 2 có ghi 220 V – 10 W. Coi điện trở của mỗi bóng đèn không thay đổi.
a) Tính năng lượng điện tiêu thụ của mỗi bóng đèn khi sử dụng ở hiệu điện thế 200 trong thời gian 2 giờ.
b) Tính tổng công suất điện tiêu thụ của cả hai bóng đèn trong những trường hợp sau:
Mắc song song hai bóng đèn vào hiệu điện thế 220 V. Mắc nối tiếp hai bóng đèn vào hiệu điện thế 220 V.
c) Dùng cách mắc nào nêu trên để cả hai bóng đèn đều sáng bình thường? Tại sao?

Hướng dẫn trả lời: 

a) Điện trở của bóng đèn 1 R₁ là $R_{1}=\frac{U_{DM_{1}}^{2}}{P_{1}}=\frac{220^{2}}{20}=2420 \Omega$
Năng lượng tiêu thụ điện của bóng đèn 1 là: $A_{1}=\frac{U^{2}}{R_{1}}t=33,06 Wh$
Điện trở của bóng đèn 2 R₂ là $R_{2}=\frac{U_{DM_{2}}^{2}}{P_{2}}=\frac{220^{2}}{10}=4840 \Omega$
Năng lượng tiêu thụ điện của bóng đèn 1 là: $A_{2}=\frac{U^{2}}{R_{2}}t=16,53 Wh$
b) Điện trở tương đương khi mắc song song là: $R_{td}=\frac{R_{1}.R_{2}}{R_{1}+R_{2}}=1613,33 \Omega$
Tổng công suất khi mắc song song hai bóng đèn là: $P=\frac{U^{2}}{R_{td}}=30W$
Điện trở tương đương khi mắc nối tiếp là: $R_{td}=R_{1}+R_{2}=7260 \Omega$
Tổng công suất khi mắc nối tiếp hai bóng đèn là: $P=\frac{U^{2}}{R_{td}}=\frac{20}{3}\approx6,67W$
c) Dùng cách mắc song song để hai đèn sáng được bình thường vì khi mắc song song thì hiệu điện thế đặt vào hai đầu của mỗi bóng đèn như nhau là 220V.

Bài 2: Thông thường, ở nước ta hiệu điện thế mạng điện trong các gia đình, trường học... là 220 V. Em hãy tìm hiểu về hiệu điện thể định mức, công suất định mức của mỗi thiết bị điện, cách mắc các thiết bị điện dùng trong lớp học của em và thời gian sử dụng trung bình của từng thiết bị mỗi tháng để làm các việc sau:

a) Vẽ lại sơ đồ mạch điện.
b) Áp dụng giá điện trong Hoá đơn GTGT (tiền điện) ở đầu của bài học để dự tính tiền điện trung bình phải trả mỗi tháng cho lớp học.
c) Hãy đề xuất phương án sử dụng tiết kiệm điện cho gia đình, lớp học.

Hướng dẫn trả lời:

Thực hiện theo ngữ cảnh gia đình. HS tham khảo sơ đồ dưới:
Ví dụ: Mạch điện của hai bóng đèn mắc nối tiếp
Công suất định mức và hiệu điện thế định mức của bóng đèn là 100W - 220V
a) Sơ đồ mạch điện của hai bóng đèn có hai cách mắc là mắc nối tiếp.

Mỗi ngày bóng đèn thắp sáng 6h 
b) Điện trở của bóng đèn là: $R_{D}=\frac{U_{DM}^{2}}{P}=\frac{220^{2}}{100}=484 \Omega $
Điện trở tương đương của mạch là: $R_{td}=2R_{D}=2.484=968 \Omega $
Công suất tiêu thụ của mạch là: $P=\frac{U^{2}}{R_{td}}=\frac{220^{2}}{968}=50W$
Lượng điện tiêu thụ trong 1 tháng là: A=P.t=50.6.30=9000 Wh= 9 kWh
Số tiền phải trả là: 9.1549=13932 (đồng)
c) Phương án tiết kiệm điện cho gia đình, lớp học
- Tắt các thiết bị khi không sử dụng
- Vệ sinh, bảo dưỡng các thiết bị điện định kì
- Sử dụng các thiết bị đúng mục đích sử dụng, công năng sử dụng
- Chọn các thiết bị chính hãng, tiết kiệm điện