Giải Vật lí 11 Bài 23 (Kết nối tri thức): Điện trở. Định luật Ôm

Giải bài tập Vật lí 11 Bài 23: Điện trở. Định luật Ôm

Giải Vật lí 11 trang 95

Khởi động trang 95 Vật Lí 11: Các thiết bị điện thông thường mà chúng ta dùng hằng ngày đều có các điện trở. Vậy điện trở đặc trưng cho tính chất nào của vật dẫn và tại sao một vật dẫn lại có điện trở?

Lời giải:

Điện trở đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện khi đi qua vật dẫn.

Vật dẫn có điện trở bởi vì: vật dẫn thường làm bằng kim loại, bọc cách điện, bên trong kim loại các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở thành các ion dương. Các ion dương liên kết với nhau một cách trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại. Chuyển động nhiệt của các ion có thể phá vỡ trật tự này. Nhiệt độ càng cao, dao động nhiệt càng mạnh, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự. Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của các electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.

I. Điện trở

Thí nghiệm trang 95 Vật Lí 11:

Chuẩn bị:

- 1 ampe kế.

- 1 vôn kế.

- 1 nguồn có thể điều chỉnh thay đổi được hiệu điện thế.

- Hai vật dẫn X và Y khác nhau.

- Dây nối.

- Khoá K.

Tiến hành:

- Mắc mạch điện như Hình vẽ 23.1.

- Đóng khoá K. Điều chỉnh hiệu điện thế của nguồn điện ta thu được các giá trị của cường độ dòng điện I₁, chạy qua vật dẫn X, ghi kết quả vào mẫu Bảng 23.1.

- Thay vật dẫn Y vào vị trí của vật dẫn X và lặp lại thí nghiệm, ta thu được các giá trị của cường độ dòng điện I₂, chạy qua vật dẫn Y, ghi kết quả vào mẫu Bảng 23.1.

Lời giải:

Học sinh tham khảo bảng kết quả dưới đây

Câu hỏi trang 95 Vật Lí 11:

1. Hãy nhận xét về tỉ số $\frac{U}{I}$ đối với từng vật dẫn X và vật dẫn Y.

2. Đối với hai vật dẫn X và vật dẫn Y thì tỉ số $\frac{U}{I}$ có khác nhau không?

3. Nếu đặt cùng một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn X và vật dẫn Y thì cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn nào có giá trị nhỏ hơn?

Lời giải:

1. Tỉ số $\frac{U}{I}$ đối với từng vật dẫn X và vật dẫn Y là không đổi.

2. Đối với hai vật dẫn X và vật dẫn Y thì tỉ số $\frac{U}{I}$ có khác nhau.

Vật dẫn X có tỉ số: $\frac{U}{I_1}=200$

Vật dẫn Y có tỉ số: $\frac{U}{I_2}=100$

3. Nếu đặt cùng một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn X và Y thì cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn X có giá trị nhỏ hơn.

Giải Vật lí 11 trang 97

Câu hỏi 1 trang 97 Vật Lí 11: Đường đặc trưng vôn-ampe của điện trở có đặc điểm gì? Đặc điểm này nói lên điều gì về mối quan hệ giữa hiệu điện thế U và cường độ dòng điện I?

Lời giải:

Đường đặc trưng vôn-ampe của điện trở có dạng là một đường thẳng đi qua gốc toạ độ và hướng lên.

Đặc điểm này cho biết hiệu điện thế U và cường độ dòng điện I có mối quan hệ tỉ lệ thuận với nhau.

Câu hỏi 2 trang 97 Vật Lí 11: Độ dốc của đường đặc trưng vôn-ampe của điện trở liên quan đến điện trở như thế nào?

Lời giải:

Độ dốc của đường đặc trưng vôn-ampe của điện trở cho biết giá trị điện trở lớn hay nhỏ. Độ dốc càng lớn thì điện trở càng nhỏ, độ dốc nhỏ thì điện trở lớn.

III. Nguyên nhân gây ra điện trở và ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở

Giải Vật lí 11 trang 98

Câu hỏi trang 98 Vật Lí 11: Vận dụng công thức I = Snve để giải thích tại sao điện trở R của vật dẫn kim loại lại phụ thuộc vào chiều dài ℓ, tiết diện S và điện trở suất $\rho$ của dây theo công thức $R=\frac{\rho \mathcal{l}}{S}$.

Lời giải:

Điện trở R của vật dẫn kim loại phụ thuộc vào các đại lượng:

- Chiều dài: Độ dài của vật dẫn sẽ làm thay đổi tốc độ dịch chuyển có hướng của các electron trong vật dẫn. Từ đó I thay đổi dẫn đến R thay đổi. Chiều dài tăng $\to$ vận tốc v giảm $\to$ I giảm $\to$ R tăng.

- Tiết diện: Tiết diện thay đổi dẫn đến I thay đổi, kéo theo R thay đổi. Tiết diện tăng $\to$ I tăng $\to$ R giảm. Suy ra R tỉ lệ nghịch với tiết diện S.

- Điện trở suất: Điện trở suất thì phụ thuộc vào bản chất kim loại làm vật dẫn, nó sẽ ảnh hưởng đến mật độ hạt tải điện, từ đó I thay đổi dẫn đến R thay đổi. Điện trở suất tăng $\to$ vật liệu dẫn điện kém $\to$ I giảm $\to$ R tăng. Suy ra điện trở tỉ lệ thuận với điện trở suất.

Kết luận: điện trở R phụ thuộc vào chiều dài, tiết diện, điện trở suất của vật dẫn theo công thức $R=\frac{\rho \mathcal{l}}{S}$.

Giải Vật lí 11 trang 100

Câu hỏi trang 100 Vật Lí 11: Từ kết quả thí nghiệm em rút ra nhận xét gì về sự phụ thuộc của nhiệt điện trở NTC vào nhiệt độ?

Lời giải:

Nhiệt độ càng tăng thì điện trở của nhiệt điện trở NTC càng giảm.

Câu hỏi trang 100 Vật Lí 11: Hai đồ thị trong Hình 23.9a, b mô tả đường đặc trưng vôn - ampe của một dây kim loại ở hai nhiệt độ khác nhau t₁ và t₂.

a) Tính điện trở của dây kim loại ứng với mỗi nhiệt độ t₁ và t₂.

b) Dây kim loại ở đồ thị nào có nhiệt độ cao hơn?

Lời giải:

a) Hình 23.9a: Điện trở của dây kim loại ở nhiệt độ t₁ là $R_1=\frac{U_1}{I_1}=\frac{25}{2}=\mathrm{12,5}\text{\hspace{0.17em}}\Omega$.

Hình 23.9b: Điện trở của dây kim loại ở nhiệt độ t₂ là $R_2=\frac{U_2}{I_2}=\frac{15}{\mathrm{1,5}}=10\text{\hspace{0.17em}}\Omega$.

b) – Nếu kim loại của nhiệt điện trở NTC thì: Ở nhiệt độ t₂ có điện trở thấp hơn ở nhiệt độ t₁. Chứng tỏ nhiệt độ t₂ > t₁.

- Nếu kim loại của nhiệt điện trở PTC thì: Ở nhiệt độ t₂ có điện trở thấp hơn ở nhiệt độ t₁. Chứng tỏ nhiệt độ t₂ < t₁.

Hoạt động trang 100 Vật Lí 11: Đồ thị Hình 23.10 thể hiện đường đặc trưng vôn - ampe của hai linh kiện là dây tóc bóng đèn và dây kim loại.

a) Xác định đường nào là của dây tóc bóng đèn, đường nào là của dây kim loại.

b) Xác định hiệu điện thế mà tại đó dây tóc bóng đèn và dây kim loại có điện trở như nhau.

c) Xác định điện trở ứng với hiệu điện thế xác định được ở câu b.

Lời giải:

a) Đường X là của dây tóc bóng đèn, đường Y là của dây kim loại. Vì:

- Dây tóc bóng đèn nóng sáng, nhiệt độ tăng dần nên điện trở của dây tóc có sự thay đổi theo nhiệt độ nên đường đặc trưng Vôn – ampe không phải là đường thẳng.

- Dây kim loại có đường đặc trưng Vôn – ampe có dạng đường thẳng.

b) Ở hiệu điện thế bằng 8V thì tại đó dây tóc bóng đèn và dây kim loại có điện trở như nhau.

c) Điện trở trong trường hợp này là $R=\frac{U}{I}=\frac{8}{\mathrm{3,4}}=\mathrm{2,35}\Omega$.

Giải Vật lí 11 trang 101

Em có thể trang 101 Vật Lí 11: Giải thích được nguyên nhân gây ra điện trở trong kim loại, …

Lời giải:

Do sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do trong kim loại, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.

Em có thể trang 101 Vật Lí 11: Giải thích được tại sao sử dụng đèn LED tiết kiệm năng lượng điện hơn so với bóng đèn dây tóc.

Lời giải:

- Nguyên lý hoạt động của đèn sợi đốt là dòng điện sẽ đi qua đui đèn vào đến dây tóc làm nó nóng lên và phát ra ánh sáng. Theo tính toán, chỉ có 10% năng lượng dành cho việc chuyển hóa thành ánh sáng nên hiệu suất phát quang thấp, 90% năng lượng còn lại chuyển thành nhiệt và tỏa ra ngoài vỏ bóng đèn.

- Còn đèn led không bị mất năng lượng thừa để làm nóng và đốt cháy dây tóc để phát sáng như đèn sợi đốt. Mà đèn led hoạt động theo nguyên lý phát sáng của các diode. Nhiệt năng tạo ra trong quá trình này rất nhỏ. Chỉ cần một dòng điện nhỏ (một chiều) đi qua là tương tác đã xảy ra. Vì vậy, đèn led là loại đèn tiết kiệm năng lượng nhất hiện nay.

Lý thuyết Điện trở. Định luật Ôm

I. Điện trở

1. Định nghĩa điện trở

- Tỉ số U/I của thí nghiệm trên cho thấy với mỗi vật dẫn thì tỉ số U/I là một hằng số.

- Kí hiệu hằng số trên là R và I = U/R. Biểu thức này cho thấy vật dẫn càng cản trở sự dịch chuyển của các điện tích thì R càng lớn và cường độ dòng điện I càng nhỏ.

- R là đại lượng đặc trưng cho mức độ cản trở dòng điện của vật dẫn và được gọi là điện trở.

- Điện trở của dây dẫn kí hiệu là R và đo bằng ohm (ôm), kí hiệu là Ω.

- Trong công thức (23.1), hiệu điện thế U đo bằng vôn, cường độ dòng điện I đo bằng ampe. 1Ω = 1V/1A.

- Một số bội số của ohm: 1 ΚΩ = 1,000 Ω và 1 ΜΩ = 1,000 ΚΩ = 1,000,000 Ω.

2. Đường đặc trưng vôn – ampe

- Đường đặc trưng vôn - ampe là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa hiệu điện thế đặt vào và dòng điện chạy qua linh kiện.

- Bảng 23.2 là kết quả thí nghiệm cho hai điện trở R1 và R2. Từ bảng số liệu, ta vẽ được đường đặc trưng vốn - ampe của R1 và R2 như Hình 23.2.

- Đường đặc trưng vốn - ampe của một điện trở là hàm bậc nhất xuất phát từ gốc toạ độ và có công thức I = kU, với k = 1/R là độ dẫn điện.

- Trong trường hợp đơn giản nhất là đặc trưng vôn - ampe của một điện trở R, đường đặc trưng là đường thẳng đi qua gốc toạ độ, có độ dốc càng lớn khi R càng nhỏ (Hình 23.3).

II. Định luật Ohm

- Định luật Ohm là mối quan hệ giữa hiệu điện thế U, cường độ dòng điện I và điện trở R của vật dẫn kim loại, được xác định bởi Georg Simon Ohm.

- Định luật Ohm phát biểu như sau: cường độ dòng điện I tỉ lệ thuận với hiệu điện thế U và tỉ lệ nghịch với điện trở R của vật dẫn.

- Biểu thức: I = U/R, trong đó I đo bằng ampe (A), U đo bằng vôn (V) và R đo bằng ohm (Ω).

III. Nguyên nhân gây ra điện trở và ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở

1. Nguyên nhân gây ra điện trở trong vật dẫn kim loại

- Trong kim loại, electron hoá trị bị mất và thành các ion dương. Các ion dương liên kết với nhau để tạo thành mạng tinh thể kim loại.

- Nhiệt độ cao gây dao động nhiệt mạnh, phá vỡ trật tự của mạng tinh thể.

- Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, gây ra điện trở của kim loại (Hình 23.4).

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở

a) Điện trở của đèn sợi đốt

- Dòng điện chạy qua điện trở làm nóng nó. Hiệu ứng đốt nóng xảy ra khi electron va chạm với các nguyên tử, làm dao động nhanh hơn và tạo ra nhiệt độ cao hơn.

- Dòng điện chạy qua dây tóc của bóng đèn sinh nhiệt, làm dây tóc nóng lên và thay đổi điện trở. Khi U/I tăng, đường đặc trưng bắt đầu cong, cho thấy điện trở tăng lên.

- Điện trở của dây tóc bóng đèn phụ thuộc vào nhiệt độ và được xác định bởi đường đặc trưng vôn-ampe (Hình 23.5).

b) Điện trở nhiệt

- Điện trở nhiệt (thermistor) là linh kiện có điện trở thay đổi một cách rõ rệt theo nhiệt độ. Điện trở nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật điện tử, làm cảm biến nhiệt (Hình 23.6).

- Để khảo sát sự phụ thuộc của nhiệt điện trở NTC (Negative Temperature Confficent) vào nhiệt độ người ta làm thí nghiệm như sau:

+ Bố trí thí nghiệm như Hình 23.7.

+ Đặt nhiệt điện trở vào giữa bình, đặt nhiệt kế vào trong bình, cạnh nhiệt điện trở.

+ Đổ nước mát vào bình cách nhiệt. Sau khoảng 2 phút, đo nhiệt độ của nước và điện trở của nhiệt điện trở.

+ Tăng nhiệt độ của nước trong bình bằng cách thêm từ từ nước sôi vào nước trong bình. Chờ nhiệt độ của nước trong bình ổn định. Đo nhiệt độ của nước và điện trở của nhiệt điện trở.

+ Lặp lại thao tác để đo nhiệt độ và điện trở của nhiệt điện trở ở các nhiệt độ khác.

+ Kết quả thí nghiệm thu được như trong Bảng 23.3.

- Ngoài nhiệt điện trở NTC, trong thực tế còn có loại nhiệt điện trở PTC (Positive Temperature Coefficient). Điện trở của nhiệt điện trở PTC tăng khi nhiệt độ tăng.

- Điện trở nhiệt là linh kiện có điện trở thay đổi theo nhiệt độ, được sử dụng làm cảm biến nhiệt trong kĩ thuật điện tử (Hình 23.6).

- Để khảo sát sự phụ thuộc của nhiệt điện trở NTC vào nhiệt độ, ta thực hiện thí nghiệm bố trí như Hình 23.7. Sau đó, tăng nhiệt độ của nước trong bình và đo nhiệt độ và điện trở của nhiệt điện trở.

- Từ số liệu trong Bảng 23.3, ta vẽ được đường đặc trưng vôn-ampe của điện trở nhiệt NTC như Hình 23.8.

- Loại nhiệt điện trở PTC cũng tồn tại và có điện trở tăng khi nhiệt độ tăng.

Sơ đồ tư duy về “Điện trở. Định luật Ôm”

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 22: Cường độ dòng điện

Bài 23: Điện trở. Định luật Ôm

Bài 24: Nguồn điện

Bài 25: Năng lượng và công suất điện

Bài 26: Thực hành: Đo suất điện động và điện trở trong của pin điện hoá