Giải Vật lí 11 Bài 2 (Cánh diều): Điện trở

Giải Vật lí 11 Bài 2: Điện trở

Giải Vật Lí 11 trang 91

Mở đầu trang 91 Vật Lí 11: Trong thí nghiệm minh hoạ cường độ dòng điện đặc trưng cho tác dụng mạnh yếu của dòng điện ở trang 88, khi bạn nối bóng đèn với pin thì dòng điện qua đèn làm cho đèn phát sáng (Hình 2.1). Kết quả thí nghiệm cho thấy: cường độ dòng điện qua đèn càng lớn thì đèn càng sáng.

Nhưng điều gì quyết định độ lớn của cường độ dòng điện?

Lời giải:

Điện trở của toàn bộ mạch điện quyết định đến độ lớn của cường độ dòng điện, nếu điện trở càng lớn thì cường độ dòng điện qua đèn càng nhỏ và ngược lại.

I. Điện trở

Câu hỏi 1 trang 91 Vật Lí 11: Tính cường độ dòng điện chạy qua một bóng đèn khi điện trở của nó là 15Ωvà hiệu điện thế giữa hai đầu bóng đèn là 3,0 V.

Lời giải:

Cường độ dòng điện: $I=\frac{U}{R}=\frac{3}{15}=\mathrm{0,2}A$

Giải Vật Lí 11 trang 92

Câu hỏi 2 trang 92 Vật Lí 11: Tìm từ thích hợp cho vị trí của (?) trong định nghĩa về đơn vị đo điện trở:

1 Ω là điện trở của một dụng cụ điện, khi (?) ở hai đầu là 1 (?) thì có (?) chạy qua là 1 (?).

Lời giải:

1 Ω là điện trở của một dụng cụ điện, khi (hiệu điện thế) ở hai đầu là 1 (V) thì có (cường độ dòng điện) chạy qua là 1 (A).

Luyện tập 1 trang 92 Vật Lí 11: Tìm hiểu và vẽ sơ đồ mạch điện trong đèn pin (Hình 2.2).

Lời giải:

Vẽ sơ đồ mạch điện

Câu hỏi 3 trang 92 Vật Lí 11: Sử dụng biểu thức liên hệ (2.1) để chứng minh, ở nhiệt độ xác định, đường đặc trưng I – U là một đoạn thẳng.

Lời giải:

Ở một nhiệt độ xác định thì $R=\frac{U}{I}$, ta có thể thấy U và I có mối quan hệ tỉ lệ thuận với nhau nên đồ thị biểu diễn của U theo I có dạng là một đường thẳng đi qua gốc toạ độ. Hay nói cách khác, ở nhiệt độ xác định đường đặc trưng I – U là một đoạn thẳng.

Giải Vật Lí 11 trang 93

Luyện tập 2 trang 93 Vật Lí 11: Vẽ phác trên cùng một đồ thị và thảo luận về hai đường đặc trưng I - U của hai vật dẫn kim loại ở nhiệt độ xác định. Hai vật dẫn có điện trở là R₁ và R₂ với R₁ > R₂.

Lời giải:

Ta có $R=\frac{U}{I}$ nên có thể vẽ như sau: Giả sử U₁ = U₂ mà R₁ > R₂ thì I₁ < I₂.

Suy ra độ dốc của đường đặc trưng ứng với R₁ nhỏ hơn so với độ dốc của đường đặc trưng ứng với R₂.

Luyện tập 3 trang 93 Vật Lí 11: Vẽ phác đường đặc trưng I – U của điện trở rất nhỏ (vật dẫn điện rất tốt) và điện trở rất lớn (vật cách điện rất tốt).

Lời giải:

Gọi điện trở của vật dẫn điện rất tốt là R₁

Điện trở của vật cách điện rất tốt là R₂

Khi đó R₁ < R₂ nên ta có đồ thị như sau

Luyện tập 4 trang 93 Vật Lí 11: Vẽ phác đường đặc trưng I - U của vật dẫn kim loại có điện trở 10Ω.

Lời giải:

Sử dụng công thức $R=\frac{U}{I}$. Với R = 10Ω

Chọn U₁ = 10V ⇒ I₁ = 1A

U₂ = 20V ⇒ I₂ = 2A

Đường đặc trưng I – U của vật dẫn kim loại có điện trở 10Ω.

II. Nguyên nhân chính gây ra điện trở

Giải Vật Lí 11 trang 94

Câu hỏi 4 trang 94 Vật Lí 11: Nguyên nhân chính gây ra điện trở là gì?

Lời giải:

Nguyên nhân chính gây ra điện trở là do trong quá trình chuyển động của các hạt mang điện, chúng va chạm với các ion nút mạng, các hạt mang điện trái dấu khác nên gây ra sự cản trở. Va chạm càng nhiều thì tốc độ dịch chuyển có hướng của các hạt mang điện càng giảm, dẫn đến dòng điện tạo thành càng nhỏ. Nghĩa là điện trở càng lớn.

Luyện tập 5 trang 94 Vật Lí 11: Sử dụng mô hình ion dương và electron tự do trong vật dẫn kim loại (Hình 2.6) hoặc mối liên hệ 1.4 ở Bài 1 để lập luận, đưa ra phán đoán về sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ.

Lời giải:

Khi nhiệt độ càng tăng, chuyển động nhiệt của các electron tự do và các ion trong mạng tinh thể càng mạnh dẫn đến sự va chạm càng nhiều, dẫn đến điện trở càng tăng. Từ đó đưa ra sự phán đoán về sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ như sau: nhiệt độ càng tăng thì điện trở của kim loại càng tăng.

Vận dụng trang 94 Vật Lí 11: Sử dụng mô hình ở Hình 2.6 giải thích mối liên hệ giữa điện trở R và chiều dài ℓ, tiết diện thẳng S của vật dẫn kim loại: $R=\rho \frac{l}{S}$

Trong đó, ρlà điện trở suất của kim loại.

Lời giải:

Điện trở tỉ lệ thuận với chiều dài vật dẫn kim loại, điện trở suất của kim loại được sử dụng làm vật dẫn và tỉ lệ nghịch với tiết diện của vật dẫn kim loại. Cụ thể:

- Khi chiều dài dây dẫn tăng dẫn đến sự dịch chuyển của electron bị cản trở nhiều hơn nên điện trở tăng.

- Khi tiết diện tăng, cường độ dòng điện tăng nên điện trở giảm.

- Khi điện trở suất tăng (phụ thuộc bản chất kim loại làm vật dẫn) thì mật độ hạt tải điện giảm, điện trở tăng.

III. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở

Giải Vật Lí 11 trang 95

Câu hỏi 5 trang 95 Vật Lí 11: Khi nhiệt độ tăng thì điện trở của dây tóc bóng đèn sợi đốt thay đổi như thế nào?

Lời giải:

Nhiệt độ tăng thì điện trở của dây tóc bóng đèn sợi đốt càng tăng.

Câu hỏi 6 trang 95 Vật Lí 11: Khi nhiệt độ tăng thì điện trở của một điện trở nhiệt thay đổi như thế nào?

Lời giải:

Điện trở nhiệt thuận (PTC): điện trở tăng khi nhiệt độ tăng.

Điện trở nhiệt ngược (NTC): điện trở giảm khi nhiệt độ tăng.

Lý thuyết Điện trở

I. Điện trở

1. Khái niệm về điện trở

Điện trở của một vật dẫn bất kì được xác định bằng tỉ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn và cường độ dòng điện qua nó.

$R=\frac{U}{I}$

Với R là điện trở, I là cường độ dòng điện và U là hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở.

Đơn vị của điện trở là ohm (ôm), kí hiệu là $\Omega$.

2. Đường đặc trưng I – U của vật dẫn kim loại

Đường biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I chạy qua vật dẫn vào hiệu điện thế U giữa hai đầu vật dẫn được gọi là đường đặc trưng I – U, hay còn gọi là đường đặc trưng vôn – ampe của vật dẫn.

3. Định luật Ohm cho vật dẫn kim loại

Với một vật dẫn ở nhiệt độ không đổi, cường độ dòng điện qua vật dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu của vật dẫn và tỉ lệ nghịch với điện trở của nó.

$I=\frac{U}{R}$

II. Nguyên nhân chính gây ra điện trở trong kim loại

Trong kim loại, các electron tự do dịch chuyển có hướng dưới tác dụng của lực điện, tạo thành dòng điện. Trong quá trình chuyển động, các electron va chạm với nhau và với các ion nút mạng nên bị cản trở. Va chạm càng nhiều thì tốc độ dịch chuyển có hướng của các hạt mang điện càng giảm, dẫn đến dòng điện tại thành càng nhỏ. Nghĩa là, điện trở càng lớn.

III. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở của đèn sợi đốt

- Nhiệt độ của vật dẫn kim loại càng cao thì các ion dương dao động càng mạnh quanh các nút mạng, làm tăng khả năng va chạm với các electron tự do, kéo theo điện trở của vật dẫn tăng.

- Tiến hành thí nghiệm khảo sát sự liên hệ giữa cường độ dòng điện I qua đèn sợi đốt và hiệu điện thế U đặt vào đèn, khi tăng dần U, đo giá trị I tương ứng.

Nhận xét: đường đặc trưng I – U của dây tóc bóng đèn sợi đốt không phải là một đoạn thẳng. Như vậy, định luật Ohm không áp dụng được đối với bóng đèn sợi đốt.

2. Điện trở nhiệt (thermistor)

Điện trở nhiệt là vật dẫn điện có điện trở thay đổi một cách rõ rệt khi nhiệt độ thay đổi.

Điện trở nhiệt có thể phân thành hai loại:

- Điện trở nhiệt thuận (kí hiệu PTC): điện trở tăng khi nhiệt độ tăng.

- Điện trở nhiệt ngược (kí hiệu NTC): điện trở giảm khi nhiệt độ tăng.

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí 11 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài tập chủ đề 3 trang 83

Bài 1: Cường độ dòng điện

Bài 2: Điện trở

Bài 3: Nguồn điện, năng lượng điện và công suất điện

Bài tập chủ đề 4 trang 104