Sách bài tập Vật lí 11 Bài 21 (Kết nối tri thức): Tụ điện

Với giải sách bài tập Vật lí 11 Bài 21: Tụ điện sách Kết nối tri thức hay nhất, chi tiết sẽ giúp học sinh dễ dàng làm bài tập trong SBT Vật lí 11 Bài 21.

1 1,829 01/11/2024


Giải SBT Vật lí 11 Bài 21: Tụ điện

Câu 21.1 trang 42 SBT Vật Lí 11: Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện là:

A. điện dung C

B. điện tích Q

C. khoảng cách d giữa hai bản tụ.

D. cường độ điện trường.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện là điện dung C.

Câu 21.2 trang 43 SBT Vật Lí 11: Khi trong phòng thí nghiệm chỉ có một số tụ điện giống nhau với cùng điện dung C, muốn thiết kế một bộ tụ điện có điện dung nhỏ hơn C thì:

A. chắc chắn phải ghép song song các tự điện.

B. chắc chắn phải ghép nối tiếp các tụ điện.

C. chắc chắn phải kết hợp cả ghép song song và nối tiếp.

D. không thể thiết kế được bộ tự điện như vậy.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Để bộ tụ có điện dung nhỏ hơn thì phải ghép nối tiếp các tụ điện với nhau.

Câu 21.3 trang 43 SBT Vật Lí 11: Hai tụ điện có điện dung lần lượt C1=1μF,C2=3μF ghép nối tiếp. Mắc bộ tụ điện đó vào hai cực của nguồn điện có hiệu điện thế U = 40V. Điện tích của các tụ điện là:

A. Q1=40106CQ2=120106C.

B. Q1=Q2=30.106C.

C. Q1=7,5106CQ2=22,5106C.

D. Q1=Q2=160106C.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Điện dung bộ tụ: C=C1C2C1+C2=1.31+3=0,75μF

Điện tích các tụ điện: Q1=Q2=Q=CU=0,75.40=30μC

Câu 21.4 trang 43 SBT Vật Lí 11: Một tụ điện khởi động cho động cơ có các thông số như Hình 21.1. Đơn vị VAC (hoặc V.ac) là điện áp ứng với dòng điện xoay chiều, còn VDC (hay V.dc) là điện áp ứng với dòng điện một chiều cùng được đọc là vôn. Thông số điện áp 370 VAC được hiểu là

Một tụ điện khởi động cho động cơ có các thông số như Hình 21.1

Hình 21.1. Tụ điện của một động cơ

A. điện áp tối thiểu khi mắc tụ điện vào.

B. điện áp mà tụ điện hoạt động tốt nhất.

C. điện áp xoay chiều hiệu dụng cao nhất để đảm bảo cho tụ hoạt động tốt. Đây không phải là thông số điện áp một chiều.

D. điện áp mà khi mắc tụ điện vào thì điện dung bằng 15μF.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Thông số điện áp 370 VAC được hiểu là điện áp xoay chiều hiệu dụng cao nhất để đảm bảo cho tụ hoạt động tốt. Đây không phải là thông số điện áp một chiều

Câu 21.5 trang 43 SBT Vật Lí 11: Quạt treo tường nhà bạn Nam bị hỏng chiếc tụ điện như Hình 21.2 và cần được thay thế. Hãy cho biết bạn Nam có thể chọn được tụ điện loại nào trong các loại dưới đây mà cửa hàng đồ điện có bán.

Quạt treo tường nhà bạn Nam bị hỏng chiếc tụ điện như Hình 21.2

Hình 21.2. Tụ điện của quạt treo tường

Quạt treo tường nhà bạn Nam bị hỏng chiếc tụ điện như Hình 21.2

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Điện dung của tụ quạt bị hỏng là 2,5 μF nên chọn D là hợp lí.

Câu 21.6 trang 44 SBT Vật Lí 11: Ở bài 21.5, khi bạn Nam ra tới cửa hàng đồ điện để mua tụ điện thay thế cho tụ điện quạt trong Hình 21.2 thì cửa hàng đã bán hết loại tụ điện mà Nam dự định mua. Biết rằng giá bán các tụ loại A, B, C, D là bằng nhau, hãy giúp bạn Nam lựa chọn phương án thay thế với chi phí hợp lí nhất.

Lời giải:

Mua hai tụ điện loại C và ghép song song để dùng.

Câu 21.7 trang 44 SBT Vật Lí 11: Chọn mua hai chiếc tụ điện loại A và một chiếc tụ điện loại B trong bài 21.5 về ghép thành bộ như Hình 21.3.

a) Tính điện dung của bộ tụ điện.

b) Sử dụng bộ tụ điện trong Hình 21.3 có thể thay thế cho tụ điện quạt bị hỏng trong Hình 21.2 không? Giải thích lí do.

Chọn mua hai chiếc tụ điện loại A và một chiếc tụ điện

Hình 21.3. Bộ tụ điện

Lời giải:

a) Áp dụng công thức ghép tụ điện nối tiếp và song song để giải bài toán.

Ở đoạn mạch phía dưới Hình 21.3 có tụ CA ghép nối tiếp tụ CB nên:

CAB=CACBCA+CB=1,5.31,5+3=1μF

Xét cả bộ tụ ta có mạch dưới và mạch trên mắc song song nên điện dung Cb của bộ tụ điện là Cb=CA+CAB=1,5+1=2,5μF

b) Tuy điện dung của bộ tụ điện trong Hình 21.3 phù hợp với điện dung của tụ điện dùng cho quạt điện trong Hình 21.2 nhưng lại không thể thay thế cho tụ điện này được vì điện áp tối đa của tụ A chỉ là 150V kéo theo bộ tụ điện cũng chỉ sử dụng được ở điện áp tối đa 150V, nhỏ hơn điện áp thực tế mà chiếc quạt điện sử dụng là 220V.

Câu 21.8 trang 44 SBT Vật Lí 11: Tính điện tích tối đa mà bộ tụ điện Hình 21.3 có thể tích được trong ngưỡng điện áp theo thông số điện áp ghi trên tụ điện.

Lời giải:

Điện tích tối đa mà bộ tụ điện Hình 21.3 có thể tích được trong ngưỡng an toàn là: Q = CU = 2,5.10-6.150 = 375.10-6C.

Câu 21.9 trang 44 SBT Vật Lí 11: Có hai chiếc tụ điện giống nhau như Hình 21.4. Tụ điện thứ nhất được tích điện với hiệu điện thế U = 48 V rồi bỏ ra khỏi nguồn. Sau đó ghép song song tụ điện thứ nhất với tụ thứ hai chưa được tích điện.

a) Khi bỏ qua các sai số, hãy xác định hiệu điện thế đo được giữa hai cực của bộ tụ điện.

b) Thay hai tụ điện trong Hình 21.4 bằng hai tụ điện khác nhưng thông số kĩ thuật vẫn giống nhau. Sử dụng nguồn tích điện có hiệu điện thế phù hợp để tích điện cho một tụ rồi lặp lại thí nghiệm như trên. Hiệu điện thế đo được của bộ tụ điện ghép song song sẽ phụ thuộc vào thông số nào?

c) Có thể làm thí nghiệm kiểm tra được không?

Có hai chiếc tụ điện giống nhau như Hình 21.4

Hình 21.4. Tụ điện dùng cho động cơ xe máy

Lời giải:

a) Điện tích của tụ thứ nhất sau khi nạp: Q1 = CU = 25.48 = 1200μC

Hai tụ sau khi ghép song song thì điện dung của bộ tụ: Cb=C1+C2=2C=50μF

Hiệu điện thế của bộ tụ: U=Q1Cb=24V.

b) Hiệu điện thế đo được chỉ phụ thuộc vào hiệu điện thế tích điện lúc đầu của tụ điện thứ nhất và luôn bằng một nửa của hiệu điện thế này.

c) HS tiến hành thí nghiệm kiểm tra.

Câu 21.10 trang 44 SBT Vật Lí 11: Tích điện cho tụ như trong hình 21.5 nguồn điện một chiều để có hiệu điện thế U = 100V. Giả sử sai số là 5% là chính xác.

Tích điện cho tụ như trong hình 21.5 nguồn điện một chiều

Hình 21.5. Tụ điện dùng cho quạt điện

a) Thực tế, điện tích mà tụ này tích được sẽ có giá trị trong khoảng nào?

b) Xác định sai số tương đối của điện tích mà tụ tích được.

Lời giải:

a) (4,5-4,5.5%).10-6.100Q(4,5+4,5.5%).10-6.100

427,5.10-6CQ472,5.10-6C

b) Do C có sai số 5% nên Q = CU cũng có sai số 5%.

Ta có thể viết Q = 450.10-6±5%C.

Câu 21.11 trang 45 SBT Vật Lí 11: Năng lượng của điện trường trong một tụ điện đã tích được điện tích q không phụ thuộc vào

A. điện tích mà tụ điện tích được.

B. hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện.

C. thời gian đã thực hiện để tích điện cho tụ điện.

D. điện dung của tụ điện.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

W=12CU2=Q22C=12QU. Năng lượng của điện trường trong một tụ điện đã tích được điện tích q không phụ thuộc vào thời gian đã thực hiện để tích điện cho tụ điện

Câu 21.12 trang 45 SBT Vật Lí 11: Năng lượng của tụ điện bằng

A. công để tích điện cho tụ điện.

B. điện thế của các điện tích trên các bản tụ điện.

C. tổng điện thế của các bản tụ điện.

D. khả năng tích điện của tụ điện.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Năng lượng của tụ điện bằng công để tích điện cho tụ điện.

Câu 21.13 trang 45 SBT Vật Lí 11: Một tụ điện có điện tích bằng Q và ngắt khỏi nguồn, nếu tăng khoảng cách giữa hai bản tụ điện thì

A. năng lượng của tụ điện giảm.

B. năng lượng của tụ điện tăng lên do ta đã cung cấp một công làm tăng thế năng của các điện tích.

C. năng lượng của tụ điện không thay đổi.

D. năng lượng của tụ điện tăng lên rồi mới giảm.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Năng lượng của tụ không phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai bản tụ điện.

Câu 21.14 trang 45 SBT Vật Lí 11: Có bốn chiếc tụ điện như Hình 21.6, hãy sắp xếp theo thứ tự tăng dần về năng lượng khi chúng được tích điện tới mức tối đa cho phép.

Có bốn chiếc tụ điện như Hình 21.6, hãy sắp xếp theo thứ tự tăng dần

Hình 21.6. Một số tụ diện dùng cho quạt điện

A. b, d, a,c.

B. b, c, d,a.

C. c, a, b,d.

D. c, b, a,d.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Năng lượng của tụ lần lượt là:

a. W=12CU2=12.2,5.106.250=3,125.104J

b. W=12CU2=12.1,25.106.450=2,8.104J

c. W=12CU2=12.1,5.106.150=1,125.104J

d. W=12CU2=12.2.106.400=4.104J

Câu 21.15 trang 45 SBT Vật Lí 11: Công dụng nào sau đây của một thiết bị không liên quan tới tụ điện?

A. Tích trữ năng lượng và cung cấp năng lượng.

B. Lưu trữ điện tích.

C. Lọc dòng điện một chiều.

D. Cung cấp nhiệt năng ở bàn là, máy sấy,...

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Nhiệt lượng toả ra ở tụ điện rất nhỏ.

Câu 21.16 trang 46 SBT Vật Lí 11: Khi sử dụng một tụ điện loại b và một tụ điện loại c trong Hình 21.6 để ghép thành bộ tụ điện. Hãy so sánh năng lượng bộ tụ điện ghép song song và bộ tụ điện ghép nối tiếp khi chúng được tích điện đến mức tối đa cho phép.

A. Năng lượng của bộ tụ điện ghép song song lớn hơn của bộ tụ điện ghép nối tiếp.

B. Hai cách ghép đều cho kết quả như nhau.

C. Năng lượng của bộ tụ điện ghép song song nhỏ hơn của bộ tụ điện ghép nối tiếp.

D. Cả ba phương án A, B, C đều có thể xảy ra.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Với cùng hai tụ điện, thì điện dung bộ tụ ghép song song nhỏ hơn điện dung bộ tụ ghép nối tiếp.

Câu 21.17 trang 46 SBT Vật Lí 11: Hai tụ điện ab (Hình 21.7) đã được tích điện lần lượt tới hiệu điện thế Ua = 100 VUb = 120 V. Sau đó đem ghép nối hai tụ điện bằng cách nối hai dây dương (màu đỏ) với nhau và nối hai dây âm (màu trắng) với nhau.

a) Hãy vẽ sơ đồ mạch điện ghép nối.

b) Xác định năng lượng của mỗi tụ điện trước và sau khi ghép nối.

Hai tụ điện a và b (Hình 21.7) đã được tích điện lần lượt

Hình 21.7

Lời giải:

a) Vẽ mạch điện như Hình 21.1G

Hai tụ điện a và b (Hình 21.7) đã được tích điện lần lượt

b) Năng lượng tụ điện a và b trước khi ghép nối là:

Wa/tr=CaUa22=0,01J;Wb/tr=CbUb22=0,0108J

Sau khi ghép nối ta có Qsau=Qa+Qb;

Usau=QsauCsau=CaUa+CbUbCa+Cb=7607V

Năng lượng các tụ điện sau khi ghép nối là:

Wa/s=CaUsau22=0,01179J;Wb/s=CbUsau22=0,00884J

Câu 21.18 trang 46 SBT Vật Lí 11: Tính năng lượng được giải phóng (hay công phóng điện) khi ta ghép nối hai tụ điện trong bài 21.17 theo cách nối dây dương của tụ điện này với dây âm của tụ điện kia.

Lời giải:

Khi ta ghép nối hai tụ điện trong Bài 21.17 theo cách nối dây dương của tụ điện này với dây âm của tụ điện kia thì điện tích của bộ tụ điện sau khi ghép nối bằng:

Qsau = |Qa-Qb| = 20.10-6 C

Năng lượng trên bộ tụ điện sau khi ghép bằng:

Usau=QsauCsau=CaUaCbUbCa+Cb=407V

Năng lượng trên bộ tụ điện sau khi ghép nối bằng: Wsau=CsauUsau22=0,000057J.

Năng lượng đã giải phóng trong quá trình ghép nối là:

A=Wa/tr+Wb/trWsau=0,020743J

Câu 21.19 trang 46 SBT Vật Lí 11: Sử dụng bốn tụ a, b, c, d trong Hình 21.6 để ghép nối thành mạch như Hình 21.8. Nếu hiểu thông số điện áp ghi trên tụ điện là điện áp tối đa được mắc vào tụ điện để hoạt động tốt.

Sử dụng bốn tụ a, b, c, d trong Hình 21.6 để ghép nối

Hình 21. 8

a) Hãy xác định hiệu điện thế tối đa có thể mắc vào mạch trên mà không làm hỏng các tụ điện trong mạch.

b) Tính năng lượng tối đa cho phép mà bộ tụ điện trên có thể tích trữ được.

Lời giải:

a) Umax = 262,5 V ;

b) C=CaCbCa+Cb+CcCdCc+Cd=2,5.1,252,5+1,25+1,5.21,5+2=1,69μF

Wmax=12CUmax2=0,058J.

Câu 21.20 trang 47 SBT Vật Lí 11: Hình 21.9 bị xoá tên đại lượng trên trục tung. Ba đồ thị mô tả sự biến thiên của ba đại lượng: năng lượng, điện dung, điện tích, khi hiệu điện thế U thay đổi từ 0 đến 40 V. Hãy xác định tên trên trục tung của các đồ thị đó và giải thích.

Hình 21.9 bị xoá tên đại lượng trên trục tung

Hình 21.9. Đồ thị biến thiên của các đại lượng theo hiệu điện thế

Lời giải:

Điện dung của tụ điện là đại lượng không đổi và không phụ thuộc hiệu điện thế U nên đồ thị song song với trục hoành. Vì vậy trục tung của Hình 21.9a là điện dung C. Điện tích của tụ điện là hàm bậc nhất do tỉ lệ với hiệu điện thế giữa hai đầu bản tụ điện theo công thức Q = CU có đồ thị là đường thẳng. Vì vậy trục tung của Hình 21.9b điện tích Q.

Năng lượng của tụ điện là hàm bậc hai của hiệu điện thế giữa hai bản tụ theo công thức W=CU22, có đồ thị là đường cong parabol. Vì vậy trục tung của Hình 21.9c là năng lượng W.

Câu 21.21 trang 47 SBT Vật Lí 11: Hãy tìm hiểu, sưu tầm thông tin, hình ảnh một số tụ điện rồi lựa chọn và sử dụng thông tin để hoàn thành báo cáo tìm hiểu một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống.

Lời giải:

Hoàn thành báo cáo theo gợi ý như sau:

Hãy tìm hiểu, sưu tầm thông tin, hình ảnh một số tụ điện

Lý thuyết Tụ điện

I. Tụ điện

- Tụ điện được dùng trong nhiều thiết bị điện với hình dạng khác nhau

Lý thuyết Tụ điện – Vật lí 11 Kết nối tri thức (ảnh 1)

- Tụ điện là một loại linh kiện điện tử gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bởi môi trường cách điện (điện môi).

- Mỗi vật dẫn được gọi là một bản tụ điện.

- Mật độ điện tích tự do trong điện môi rất nhỏ, điện môi không dẫn điện.

- Điện trường ngoài đặt vào điện môi lớn hơn một giới hạn nhất định, điện môi trở thành dẫn điện (điện môi bị đánh thủng).

- Tụ điện được kí hiệu như Hình 21.2.

Lý thuyết Tụ điện – Vật lí 11 Kết nối tri thức (ảnh 1)

- Tụ điện có nhiệm vụ tích điện và phóng điện.

- Quá trình tích điện và phóng điện như sau: nối hai bản cực của tụ với hai cực của nguồn điện một chiều để tích điện, sau đó bỏ nguồn và nối hai bản tụ với một điện trở hoặc bóng đèn để phóng điện.

- Lúc này dòng điện chạy qua điện trở và điện tích trên tụ điện giảm nhanh. Ta gọi đó là sự phóng điện của tụ điện.

Lý thuyết Tụ điện – Vật lí 11 Kết nối tri thức (ảnh 1)

II. Điện dung của tụ điện

1. Điện dung

- Tích điện cho các tụ điện khác nhau với hiệu điện thế U sẽ cho kết quả điện tích khác nhau, cho thấy khả năng tích điện của chúng khác nhau.

- Độ lớn điện tích Q tụ điện tích được tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào hai bản của nó: Q=CU.

- Điện dung C là hằng số đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện và được tính bằng tỉ số giữa điện tích Q và hiệu điện thế U đặt vào hai bản tụ điện.

- Đơn vị của điện dung C là fara (kí hiệu là F), là điện dung của một tụ điện mà nếu đặt hiệu điện thế 1 V vào hai bản tụ điện thì điện tích của tụ điện là 1C.

- Tụ điện thực tế thường có điện dung từ 10-12 F đến 10-6 F, được đo bằng các đơn vị:

+ 1 micrôfara (kí hiệu là uF) = 10-6 F.

+ 1 nanôfara (kí hiệu là nF) = 10-9 F.

+ 1 picôfara (kí hiệu là pF) = 10-12 F.

- Trên vỏ tụ điện thường ghi hai thông số kĩ thuật quan trọng là điện dung của tụ điện và hiệu điện thế tối đa được sử dụng.

- Các thông số khác của từng loại tụ điện có thể bao gồm tần số dòng điện, khoảng nhiệt độ mà tụ điện hoạt động bình thường...

2. Điện dung của bộ tụ điện

- Trong thực tế muốn có tụ điện với điện dung thích hợp hay hiệu điện thế cần thiết người ta phải ghép các tụ điện thành bộ tụ điện.

a) Ghép nối tiếp

- Ghép nối tiếp n tụ điện chưa tích điện có điện dung C1, C2, ..., Cn với nhau và mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U (Hình 21.7).

- Hiệu điện thế, điện tích và điện dung của bộ tụ phụ thuộc vào các đại lượng tương ứng của mỗi tụ theo các công thức sau:

+ U = U₁ + U₂+ ... + Un

+ Q = Q1=Q₂ =…= Qn

+ 1/C = 1/C1 +1/C2 +…+ 1/Cn

Lý thuyết Tụ điện – Vật lí 11 Kết nối tri thức (ảnh 1)

b) Ghép song song

- Ghép n tụ điện chưa tích điện có điện dung C1, C2, ..., Cn song song với nhau và mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U (Hình 21.8).

- Hiệu điện thế, điện tích và điện dung của bộ tụ phụ thuộc vào các đại lượng tương ứng của mỗi tụ theo các công thức sau:

+ U = U₁ = U₂ = ... = Un

+ Q = Q1 + Q₂ + … +Qn

+ C=C₁ + C2 + … +Cn

Lý thuyết Tụ điện – Vật lí 11 Kết nối tri thức (ảnh 1)

III. Năng lượng của tụ điện

- Khi sử dụng nguồn điện để tích điện cho tụ, công A của nguồn điện dịch chuyển các electron từ bản cực dương sang bản cực âm của tụ, tạo ra năng lượng W = A.

- Ứng dụng quan trọng nhất của tụ điện là tích trữ và cung cấp năng lượng.

- Quá trình tích điện cho tụ điện diễn ra trong khoảng thời gian, hiệu điện thế tăng tỉ lệ thuận với lượng điện tích tích được trên tụ.

- Ta tích điện cho tụ điện đến điện tích q1 = q bởi hiệu điện thế U1 = (1/C).q, và tiếp tục tích điện thêm q2 = q1 + Δq bởi hiệu điện thế U2 = (q+Δq)/C.

- Công của nguồn điện dịch chuyển một điện tích nhỏ Aq từ bản cực này tới bản cực kia bằng ΔA = Δq.U.

- Khi điện tích Δq rất nhỏ, ΔA = ((U1+U2)/2).Δq chính bằng điện tích hình thang ABGD.

- Công để tích điện cho tụ điện đến điện tích Q bằng tổng các công nhỏ ΔA hay tổng các diện tích hình thang tương ứng. Công A mà nguồn điện thực hiện bằng diện tích hình tam giác OQM: A = QU/2.

- Năng lượng của tụ điện tích điện được tính bằng công thức W = Q²/2C = CU²/2, với Q là điện tích, U là hiệu điện thế, C là điện dung.

- Năng lượng của tụ điện cũng chính là năng lượng điện trường trong tụ điện.

Lý thuyết Tụ điện – Vật lí 11 Kết nối tri thức (ảnh 1)

IV. Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

- Tích trữ năng lượng là chức năng quan trọng nhất của tụ điện và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện như động cơ xe máy, máy hàn dùng công nghệ phóng điện của tụ (Hình 21.10), mạch khuếch đại...

Lý thuyết Tụ điện – Vật lí 11 Kết nối tri thức (ảnh 1)

- Tụ điện còn có nhiều chức năng khác như lưu trữ điện tích, lọc dòng điện một chiều,..

Sơ đồ tư duy về “Tụ điện”

Lý thuyết Tụ điện – Vật lí 11 Kết nối tri thức (ảnh 1)

Xem thêm các lời giải SBT Vật lí 11 bộ sách Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài tập cuối chương 3 trang 47

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

1 1,829 01/11/2024


Xem thêm các chương trình khác: