Hướng dẫn giải nhanh vật lí 11 cánh diều bài 3: Nguồn điện, năng lượng điện và công suất

MỞ ĐẦU

Nếu gắn mỗi đầu của một vật dẫn vào một bản của tụ điện đã tích điện thì chỉ có dòng điện chạy qua vật dẫn trong một khoảng thời gian rất ngắn. Nhưng nếu gắn mỗi đầu của cùng một vật dẫn đó vào một cực của pin hoặc acquy thì dòng điện được duy trì lâu hơn nhiều.

Vì sao lại như vậy? Làm thế nào để duy trì được dòng điện tích dịch chuyển có hướng qua một vật dẫn?

Hướng dẫn trả lời:

Hiện tượng xảy ra vì:

• Khi gắn mỗi đầu của một vật dẫn vào một bản của tụ điện đã tích điện: điện tích chỉ di chuyển trong một khoảng thời gian rất ngắn, sau đó, nó sẽ dừng lại khi hiệu điện thế giữa vật dẫn và tụ điện cân bằng. 

• Khi gắn mỗi đầu của cùng một vật dẫn vào một cực của pin hoặc acquy: pin hoặc acquy cung cấp một nguồn điện áp liên tục (hiệu điện thế) cho vật dẫn. Điện tích di chuyển này tạo ra dòng điện liên tục trong mạch và có thể được duy trì trong thời gian dài hơn, cho đến khi nguồn điện (pin hoặc acquy) cạn kiệt.

Để duy trì được dòng điện tích dịch chuyển có hướng qua một vật dẫn chúng ta cần duy trì giữa hai đầu của nó một hiệu điện thế.

I. NGUỒN ĐIỆN

CH 1. Một đèn mắc nối tiếp với một pin như Hình 3.3. Nêu sự biến đổi năng lượng xảy ra trong pin và trong đèn khi đóng khoá K.

Hướng dẫn trả lời:

Khi đóng khoá K, năng lượng từ pin được chuyển hoá một phần sang cho đèn làm cho đèn phát sáng. Điện năng chuyển hóa thành quang năng.

CH 2. Từ biểu thức 3.1, chứng minh suất điện động có cùng đơn vị với hiệu điện thế.

Hướng dẫn trả lời:

Từ biểu thức 3.1 ta thấy A = qE. Mặt khác A = q.U => suất điện động có đơn vị giống với đơn vị của hiệu điện thế.

LT 1. Nêu điểm giống và khác nhau giữa suất điện động của nguồn điện và hiệu điện thế giữa hai điểm trong mạch điện.

Hướng dẫn trả lời:

Giống nhau: Đều là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công.

Khác nhau:

+ Suất điện động đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện.

+ Hiệu điện thế đặc trưng cho khả năng thực hiện công của điện trường tạo ra bởi nguồn điện.

CH 3. Nối mỗi cực của một pin với mỗi cực của một vôn kế có điện trở rất lớn. Số chỉ của vôn kế có ý nghĩa gì?

Hướng dẫn trả lời:

Số chỉ của vôn kế cho biết hiệu điện thế giữa hai đầu của pin.

CH 4. Mô tả ảnh hưởng của điện trở trong của nguồn điện lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn.

Hướng dẫn trả lời:

Điện trở trong càng nhỏ thì hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn càng lớn và ngược lại.

CH 5. Trong trường hợp nào, hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động của nó?

Hướng dẫn trả lời:

Điều này xảy ra khi điện trở trong bằng 0 hoặc rất rất nhỏ.

LT 2. Cho mạch điện như Hình 3.6

Khi mạch hở, vôn kế chỉ 13,0 V. Khi mạch kín, vôn kế chỉ 12,0 V và cường độ dòng điện qua đèn là 3,0 A.

Biết vôn kế có điện trở rất lớn. Tìm suất điện động và điện trở trong của pin

Hướng dẫn trả lời:

Khi mạch hở: $U_{V1}$ = E = 13V

Khi mạch kín: $U_{V2}$ = $I_{2}.R_{d}$ = 3.$R_{d}$= 12 ⇒ $R_{d}$ = 4 Ω

E = $I_{2}$($R_{d}$ + r) ⇒ r = E/$I_{2}$ − $R_{d}$ ⇒13/3−4 = 1/3

II. NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN

CH 6. Trong trường hợp đoạn mạch chỉ có điện trở R, phần năng lượng điện mà đoạn mạch tiêu thụ biến đổi hoàn toàn thành năng lượng nhiệt. Suy luận biểu thức tính công suất toả nhiệt trên điện trở khi có dòng điện với cường độ I chạy qua.

Hướng dẫn trả lời:

Do năng lượng điện tiêu thụ được chuyển hoá hoàn toàn thành nhiệt nên: 

Q = A ⇒ I$^{2}$Rt = Pt

Công suất tỏa nhiệt: P_hp = I²R

LT 3. Tính công suất điện hao phí dưới dạng nhiệt trên một dây cáp dài 15 km dẫn dòng điện có cường độ 100 A. Biết điện trở trên một đơn vị chiều dài của dây cáp này là 0,20 /km.

Hướng dẫn trả lời:

P_hp = I²R = 100².0,2.15 = 30000J

LT 4. Giải thích tại sao khi điện thoại sắp hết pin, bạn nên giảm độ sáng của màn hình.

Hướng dẫn trả lời:

Vì màn hình là một trong những thứ sử dụng điện nhiều nhất 

III. ĐO SUẤT ĐIỆN ĐỘNG VÀ ĐIỆN TRỞ TRONG CỦA PIN

CH 7. Vì sao có thể xác định điện trở trong bằng biểu thức: r = ΔU/ΔI

Hướng dẫn trả lời:

Điều chỉnh biến trở để thu được cặp giá trị (U₁; I₁) và (U₂; I₂). 

Sau đó ta có thể sử dụng hệ phương trình sau:

$\left\{\begin{matrix} U_{1}=E-I_{1}r\\ U_{2}=E-I_{2}r\end{matrix}\right.\Rightarrow r=\frac{U_{1}-U_{2}}{I_{2}-I_{1}}=\frac{\Delta U}{\Delta I}$

LT 5. Một acquy ô tô 12 V cung cấp dòng điện có cường độ 5 A trong thời gian 2,0 giờ. Năng lượng mà acquy cung cấp trong thời gian này là bao nhiêu jun?

Hướng dẫn trả lời:

A = U.I.t = 12.5.2.3600 = 432 000 J

LT 6. Cho mạch điện như Hình 3.8. Con chạy ở vị trí C, chia điện trở R thành R = R_AC + R_CB. Tìm biểu thức liên hệ giữa số chỉ của vôn kế, $\varepsilon$, R_AC và R_CB   

Hướng dẫn trả lời:

Số chỉ của vôn kế đo hiệu điện thế hai đầu AC: 

$U_{V}$=$U_{AC}$=$I_{mạch}.R_{AC}$=$\frac{\varepsilon }{R_{AC}.R_{CB}+r}$.$R_{AC}$

Vận dụng. Cho các dụng cụ:

• 02 đồng hồ đo điện đa năng

• 02 pin 1,5 V

• 01 điện trở 10 Ω

• 01 biến trở 100 Ω

• Dây nối; công tắc; bảng để lắp mạch điện.

Thảo luận để lựa chọn phương án và thực hiện phương án, đo suất điện động và điện trở trong của pin

Hướng dẫn trả lời:

Bước 1: Chuẩn bị mạch

Sử dụng bảng để lắp mạch điện, kết nối mạch như hình vẽ bên dưới:

Bước 2: Thực hiện đo

- Bật công tắc và đợi cho đồng hồ đo dòng điện và điện áp trong mạch ổn định.

- Ghi lại giá trị đo được từ đồng hồ đo dòng điện và điện áp, sau đó tính toán suất điện động và điện trở của pin bằng công thức:

+ Suất điện động (EMF) của pin được tính bằng công thức: EMF = điện áp đo được trên pin.

+ Điện trở nội của pin được tính bằng công thức: r=ΔV/ΔI, trong đó ΔV là điện áp đo được trên điện trở 10 Ω, và ΔI là dòng điện đo được trong mạch.