Ôn tập kiến thức vật lí 11 cánh diều bài 3: Nguồn điện, năng lượng điện và công suất

[toc:ul]

I. NGUỒN ĐIỆN

1. Suất điện động của nguồn điện

Để duy trì dòng điện tích dịch chuyển có hướng qua một vật dẫn, cần tạo ra và duy trì giữa hai đầu của nó một hiệu điện thế.

Trong nguồn điện, các hạt điện tích dương chuyển động từ nơi có điện thế thấp (ở cực âm) đến nơi có điện thế cao hơn (ở cực dương).

Công của nguồn điện chuyển thành năng lượng điện trong mạch.

Trả lời Câu hỏi 1 (SGK – tr98)

Trong pin, hóa năng chuyển hóa thành điện năng. Trong bóng đèn, điện năng chuyển hóa thành quang năng và nhiệt năng.

Kết luận

Suất điện động của nguồn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện, được đo bằng thương số giữa công A do nguồn điện thực hiện làm dịch chuyển một điện tích dương q bên trong nguồn điện từ cực âm đến cực dương và độ lớn của điện tích đó.

$\xi =\frac{A}{q}$

Đơn vị của suất điện động là vôn (V).

Nói cách khác, suất điện động được xác định bằng công của nguồn điện tích dịch chuyển một điện tích đơn vị theo một vòng kín của mạch điện.

Trả lời Câu hỏi 2 (SGK – tr98)

Từ (3.1) suy ra đơn vị của suất điện động là J/C. Ở chủ đề trước, khi đề cập đến hiệu điện thế, HS đã biết 1 V = 1 J/C. Như vậy, suất điện động có cùng đơn vị với hiệu điện thế.

2. So sánh suất điện động và hiệu điện thế

Suất điện động là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện và được đo bằng công của nguồn điện dịch chuyển một điện tích đơn vị theo một vòng kín của mạch điện.

Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của điện trường tạo ra bởi nguồn điện và được đo bằng công làm một đơn vị điện tích di chuyển từ điểm A đến điểm B.

Trả lời Luyện tập 1 (SGK – tr99)

• Giống nhau: Đều là số đo khả năng thực hiện công lên một điện tích đơn vị. Cùng có đơn vị là vôn (V).
• Khác nhau: Suất điện động đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn làm một điện tích đơn vị dịch chuyển một vòng kín. Hiệu điện thế đặc trưng cho khả năng thực hiện công của điện trường (sinh ra bởi nguồn điện hoặc nguyên nhân khác) làm đơn vị điện tích di chuyển một đoạn (không phải một vòng kín).

3. Điện trở trong và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện

Mỗi nguồn điện được đặc trưng bằng suất điện động $\xi $ và điện trở trong r của nó.

Trả lời Câu hỏi 3 (SGK – tr99)

Do vôn kế có điện trở rất lớn nên dòng điện gần như bằng 0. Vì thế, số chỉ vôn kế chỉ giá trị suất điện động của pin.

Kết luận

Năng lượng của nguồn điện chuyển thành năng lượng điện tiêu thụ ở điện trở R và r. Do năng lượng bảo toàn nên ta có:

$\xi $ = U$_{R}$ + U$_{r}$

=> U$_{R}$ = $\xi $ – U$_{r}$ (IR =$\xi $ – Ir)

Trả lời Câu hỏi 4 (SGK – tr100)

Điện trở trong của nguồn điện càng lớn thì độ giảm điện thế này càng lớn, hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn càng nhỏ.

Trả lời Câu hỏi 5 (SGK – tr100)

Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện UR bằng suất điện động $\xi $ của nó khi U$_{r}$ = Ir = $\xi $ – U$_{R}$ = 0. Nghĩa là, khi không có dòng điện chạy qua nguồn hoặc điện trở trong của nguồn rất nhỏ, coi như bằng 0.

Trả lời Tìm hiểu thêm (SGK – tr100)

• Thứ nhất là cấu tạo cơ thể hợp lí.
• Thứ hai là dòng điện không đủ lâu để giết cá chình.
• Cuối cùng là khả năng đặc biệt nhất là uốn mình theo những hướng nhất định.

II. NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN

1. Năng lượng điện

Công của lực điện thực hiện trong thời gian t là

A = Uq = UIt

Khi chạy qua đoạn mạch, dòng điện có thể gây ra các tác dụng khác nhau. Trong quá trình đó, năng lượng điện sẽ chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác.

Trả lời Luyện tập 2 (SGK – tr101)

• Khi mạch hở, $\xi $ = 13 V
• Khi mạch kín, U$_{R}$ = 12 V, I = 3 A
• Điện trở trong của nguồn: $R=\frac{U_{r}}{I}=\frac{(\xi -U_{R})}{I}$ = 0,3 Ω

2. Công suất điện

Công suất tiêu thụ năng lượng điện P của đoạn mạch được tính bằng

$P=\frac{A}{t}=UI$

Công suất $P$ được đo bằng oát (W)

Trả lời Luyện tập 3 (SGK – tr101)

R = 15.0,20 = 3 Ω

Công suất hao phí (dưới dạng nhiệt) trên dây dẫn là:

P = UI = I$^{2}$R = 3.10$^{4}$ W

3. Công và công suất của nguồn điện

Công của nguồn điện An khi tạo ra dòng điện có cường độ I chạy trong mạch sau một khoảng thời gian t được tính bằng 

A$_{n}$ =  $\xi $q = $\xi $It

Công suất P$_{n}$ của nguồn điện bằng công suất tiêu thụ năng lượng điện toàn mạch

$P_{n}=\frac{A_{n}}{t}=\xi I$

Trả lời Câu hỏi 6 (SGK – tr101)

Nhiệt năng sinh ra trong khoảng thời gian t là: Q = I$^{2}$Rt

Năng lượng điện tiêu thụ được chuyển hoá thành nhiệt năng: A = P.t

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

Q = A => I$^{2}$Rt = P.t

Suy ra, công suất toả nhiệt: Php = I$^{2}$R 

Trả lời Luyện tập 4 (SGK – tr101)

Giảm độ sáng để giảm công suất tiêu thụ, kéo theo giảm năng lượng điện tiêu thụ, làm cho thời gian sử dụng điện thoại được lâu hơn.

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

Trả lời Câu hỏi 7 (SGK – tr102)

Điều chỉnh biến trở để thu được cặp giá trị hiệu điện thế và cường độ dòng điện khác nhau là (U$_{1}$; I$_{1}$) và (U$_{2}$; I$_{2}$). Sau đó ta có thể sử dụng hệ phương trình sau:

U$_{1}$ = E − I$_{1}$r

U$_{2}$ = E − I$_{2}$r

=> $r=\frac{U_{1}-U_{2}}{I_{2}-I_{1}}$ hay $r=\frac{\Delta U}{\Delta I}$