Giải Vật lí 11 Bài 3 (Cánh diều): Nguồn điện, năng lượng điện và công suất điện

Giải Vật lí 11 Bài 3: Nguồn điện, năng lượng điện và công suất điện

Giải Vật lí 11 trang 97

Mở đầu trang 97 Vật Lí 11: 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?

Lời giải:

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

Giải Vật Lí 11 trang 98

Câu hỏi 1 trang 98 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

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

Câu hỏi 2 trang 98 Vật Lí 11: Từ biểu thức 3.1, chứng minh suất điện động có cùng đơn vị với hiệu điện thế.

Lời giải:

Ở chủ đề trước ta có biểu thức A = U.I.t hay A = qU

Từ biểu thức 3.1 ta thấy A = qEnên suất điện động có đơn vị giống với đơn vị của hiệu điện thế.

Giải Vật Lí 11 trang 99

Luyện tập 1 trang 99 Vật Lí 11: Nêu điểm giống và khác nhau giữa suất điện động của nguồn điện và hiệu điện thế giữa hai điểm trong mạch điện.

Lời giải:

- 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.

Câu hỏi 3 trang 99 Vật Lí 11: 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?

Lời giải:

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

Giải Vật Lí 11 trang 100

Câu hỏi 4 trang 100 Vật Lí 11: Mô tả ảnh hưởng của điện trở trong của nguồn điện lên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn.

Lời giải:

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

Câu hỏi 5 trang 100 Vật Lí 11: Trong trường hợp nào, hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động của nó?

Lời giải:

Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động của nó khi điện trở trong bằng 0 hoặc rất rất nhỏ.

II. Năng lượng điện và công suất điện

Tìm hiểu thêm trang 100 Vật Lí 11: Bạn hãy tìm hiểu thêm tại sao cá chình không bị chết vì dòng điện mà nó phóng ra và đi qua chính nó.

Lời giải:

Cá chình thường không bị chính dòng điện trong cơ thể mình giết chết bởi 3 nguyên nhân sau:

- Thứ nhất là cấu tạo cơ thể hợp lí: Với thân hình thon và kéo dài khiến cho khả năng dòng điện đi qua và gây hại cho các bộ phận trọng yếu là rất nhỏ. Dòng điện gần như phóng thẳng ra môi trường chứ không truyền trong cơ thể quá lâu.

- Thứ hai là dòng điện không đủ lâu để giết cá chình: Kích thước cơ thể tỉ lệ thuận với điện áp cao nhất một con có thể tạo ra. Cá càng to, cường độ điện phóng ra càng mạnh. Các nhà khoa học cho rằng cá chình điện có khả năng điều chỉnh điện áp tối đa khó có thể giết chính nó trong khoảng thời gian ngắn mà dòng điện tồn tại, cộng thêm khả năng tạo ra điện và phóng điện vô cùng nhanh nên cá chình mới có thể an toàn như vậy.

- Cuối cùng là khả năng đặc biệt nhất là uốn mình theo những hướng nhất định. Bằng cách này cá chình tránh được dòng điện đi qua tim. Với mỗi tình huống khác nhau, cá chình điện lại có 1 cách riêng để tự vệ.

Giải Vật Lí 11 trang 101

Luyện tập 2 trang 101 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

Gọi suất điện động và điện trở trong của pin lần lượt là E và r.

Vôn kế có điện trở rất lớn nên coi như dòng điện đi qua vôn kế rất nhỏ

Khi mạch hở: U_V1 = E = 13 (V)

Khi mạch kín: U_V2 = I₂R_đ = 3.R_đ = 12 ⇒ R_đ = 4Ω

Lại có E = I₂(R_đ + r) ⇒ 13 = 3(4 + r) ⇒ r = $\frac{1}{3}$Ω

Câu hỏi 6 trang 101 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

Nhiệt năng sinh ra trong khoảng thời gian t là: Q = I²Rt.

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 ⇒ I²Rt = P.t

Suy ra, công suất toả nhiệt: P_hp = I²R.

Luyện tập 3 trang 101 Vật Lí 11: 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 Ω/km.

Lời giải:

Công suất hao phí trên toàn bộ dây cáp: P_hp = I²R = 100².0,2.15 = 30000 J

Luyện tập 4 trang 101 Vật Lí 11: Giải thích tại sao khi điện thoại sắp hết pin, bạn nên giảm độ sáng của màn hình.

Lời giải:

Vì màn hình là một trong những thứ ngốn điện nhiều nhất nên khi điện thoại sắp hết pin chúng ta cần giảm độ sáng của màn hình để tiết kiệm năng lượng điện còn lại trong pin.

III. Đo suất điện động và điện trở trong của pin

Giải Vật lí 11 trang 102

Câu hỏi 7 trang 102 Vật Lí 11: Vì sao có thể xác định điện trở trong bằng biểu thức: $r=\frac{\Delta U}{\Delta I}$.

Lời giải:

Điều chỉnh biến trở để thu được cặp giá trị hiệu điện thế và cường độ dòng điện khác nhau là (U₁; I₁) và (U₂; I₂). Sau đó ta có thể sử dụng hệ phương trình sau:

$\left(\begin{array}{c}{U}_1=\text{E}-I_{1}r\\ U_2=\text{E}-I_{2}r\end{array}\right)\Rightarrow r=\frac{U_1-U_2}{I_2-I_1}$ hay $r=\frac{\Delta U}{\Delta I}$

Giải Vật Lí 11 trang 103

Luyện tập 5 trang 103 Vật Lí 11: 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?

Lời giải:

Năng lượng mà acquy cung cấp: A = U.I.t = 12.5.2.3600 = 432 000 J

Luyện tập 6 trang 103 Vật Lí 11: 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, E, R_AC và R_CB.

Lời giải:

Cường độ dòng điện qua mạch chính: $I=\frac{\text{E}}{R_{AC}+R_{CB}+r}$

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

$U_V=U_{AC}=I.R_{AC}=\frac{\text{E}}{R_{AC}+R_{CB}+r}.R_{AC}$

Vận dụng trang 103 Vật Lí 11: Cho các dụng cụ:

• 02 đồng hồ đo điện đa năng;

• 02 pin 1,5 V;

• 01 điện trở 10Ω;

• 01 biến trở 100Ω;

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.

Lời giải:

I. Mục đích

- Áp dụng biểu thức hiệu điện thế của đoạn mạch chứa nguồn điện và định luật Ohm đối với toàn mạch để xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hóa.

- Sử dụng các đồng hồ đo điện vạn năng để đo các đại lượng trong mạch điện (đo U và I).

II. Cơ sở lý thuyết

- Lắp sơ đồ mạch điện như hình vẽ bên dưới với các dụng cụ đã cho.

- Đồng hồ đo điện đa năng thứ nhất để ở chế độ đo hiệu điện thế.

- Đồng hồ đo điện đa năng thứ hai để ở chế độ đo cường độ dòng điện.

Định luật Ohm cho đoạn mạch chứa nguồn điện: U = E – I(R₀ + r)

Mặt khác: U = I(R + R_A)

Suy ra: $I=I_A=\frac{\text{E}}{R+R_A+R_0+r}$

Với R_A, R là điện trở của ampe kế và của biến trở. Biến trở dùng để điều chỉnh điện áp và dòng điện

Trong thí nghiệm ta có R₀ = 100Ω

Ta đo R_A bằng cách dùng đồng hồ vạn năng ở thang đo DC, đo hiệu điện thế giữa hai cực của ampe kế và cường độ dòng điện qua mạch → R_A.

III. Thực hiện thí nghiệm

Sau khi lắp sơ đồ mạch điện như trên, tiến hành đo U và I_A.

Với các giá trị R = 10Ω; R₀ = 100Ω; cho trước có thể tìm được E; r.

Lý thuyết Nguồn điện, năng lượng điện và công suất điện

I. Nguồn điện

1. Suất điện động của nguồn điện

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.

$\text{E}=\frac{A}{q}$

Đơn vị của suất điện động là vôn, kí hiệu là V

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 dịch chuyển từ điểm A đến điểm B.

Như vậy, khi mạch ngoài hở thì suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng hiệu điện thế giữa hai cực của nó.

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

Mỗi nguồn điện được đặc trưng bằng suất điện động E và điện trở trong r.

$\text{E}=U_R+U_r$ hay $U_R=\text{E}-U_r=IR$

- Do nguồn điện có điện trở trong r nên hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn luôn nhỏ hơn suất điện động của nó khi mạch điện kín. Lượng $U_r=\text{E}-U_R$ được gọi là độ giảm thế trong.

II. Năng lượng điện và công suất điện

1. Năng lượng điện

Năng lượng điện tiêu thụ của đoạn mạch được đo bằng công của lực điện thực hiện khi dịch chuyển các điện tích: A = qU = UIt

2. Công suất điện

Công suất tiêu thụ năng lượng điện của đoạn mạch là năng lượng điện mà đoạn mạch tiêu thụ trong một đơn vị thời gian, được tính bằng

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

Đơn vị công suất là oát, kí hiệu là W.

3. Công và công suất của nguồn điện

Công của nguồn điện:

$A_n=\text{E\hspace{0.17em}}q=\text{E\hspace{0.17em}}It$

Công suất của nguồn điện:

${\text{P}}_n=\frac{A_n}{t}=\text{E\hspace{0.17em}}I$

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