BÀI 9: ĐỊNH LUẬT ÔM ĐỐI VỚI TOÀN MẠCH
A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Toàn mạch
Toàn mạch là mạch điện kín có sơ đồ đơn giản nhất như hình vẽ.
Trong đó ℰ là suất điện động của nguồn.
r là điện trở của nguồn (điện trở trong).
RN là điện trở tương đương của mạch ngoài.
2. Định luật Ôm cho toàn mạch
+ Phát biểu: Cường độ dòng điện chạy qua mạch kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ với điện trở toàn phần của mạch đó.
+ Công thức: \(I=\frac{\mathcal{E}}{{{R}_{N}}+r}.\)
Þ Hiệu điện thế giữa hai cực nguồn điện, cũng chính là hiệu điện thế mạch ngoài:
\({{U}_{N}}=I.{{R}_{N}}=\mathcal{E}-I.r\)
+ Hiện tượng đoản mạch: xảy ra khi RN = 0, lúc đó nguồn điện bị nối tắt, nguồn dễ bị hỏng: \(I=\frac{\mathcal{E}}{r}.\)
3. Hiệu suất nguồn điện
Khi hoạt động, công suất toàn phần của nguồn \(({{P}_{tp}}=\mathcal{E}.I)\), điện trở trong r của nguồn cũng tiêu thụ điện năng do sự tỏa nhiệt, đó là phần hao phí \(({{P}_{hp}}=r{{I}^{2}})\). Phần cung cấp cho mạch ngoài là có ích \(({{P}_{ci}}={{P}_{tp}}-{{P}_{hp}})\). Đại lượng cho biết nguồn hao phí ít hay nhiều là hiệu suất nguồn:
\(H=\frac{{{P}_{ci}}}{{{P}_{tp}}}=\frac{{{P}_{tp}}-{{P}_{hp}}}{{{P}_{tp}}}=\frac{\mathcal{E}.I-r{{I}^{2}}}{\mathcal{E}.I}=\frac{\mathcal{E}-rI}{\mathcal{E}}=\frac{{{U}_{N}}}{\mathcal{E}}\cdot\)
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Vận dụng định luật Ôm cho toàn mạch
- Định luật Ôm cho toàn mạch: \(I=\frac{\mathcal{E}}{{{R}_{N}}+r}\cdot\) (Chiều dòng điện trong mạch: đi từ cực dương của nguồn điện, qua điện trở, rồi về cực âm của nguồn).
- Hiệu điện thế giữa hai cực nguồn điện, cũng chính là hiệu điện thế mạch ngoài:
\({{U}_{N}}=I.{{R}_{N}}=\mathcal{E}-I.r.\)
- Hiệu suất nguồn điện: \(H=\frac{{{P}_{ci}}}{{{P}_{tp}}}=\frac{{{P}_{tp}}-{{P}_{hp}}}{{{P}_{tp}}}=\frac{\mathcal{E}I-r{{I}^{2}}}{\mathcal{E}.I}=\frac{\mathcal{E}-rI}{\mathcal{E}}=\frac{{{U}_{N}}}{\mathcal{E}}=\frac{{{R}_{N}}}{{{R}_{N}}+r}\cdot\)
Các bước giải bài tập:
- Nếu mạch ngoài có nhiều điện trở ghép với nhau, cần phân tích, nhận dạng các điện trở mạch ngoài được mắc như thế nào để tính điện trở tương đương của mạch ngoài.
- Sử dụng định luật Ôm cho mạch kín để tính cường độ dòng điện chạy trong mạch chính.
- Sử dụng các công thức của định luật Ôm cho đoạn mạch, công suất của nguồn, công suất của đoạn mạch, hiệu suất của nguồn điện, ... để tìm các đại lượng khác theo yêu cầu của bài toán.
C. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu C1 (trang 51 SGK Vật Lí 11):
Trong thí nghiệm hình 9.2 trang 50 SGK, mạch điện phải như thế nào để cường độ dòng điện I = 0 và tương ứng U = U0?
Taị sao U0 có giá trị lớn nhất và bằng suất điện động ℰ của nguồn điện : U0 = ℰ ?
Trả lời:
Khi mạch ngoài để hở hoặc mạch ngoài có điện trở vô cùng lớn thì cường độ dòng điện I = 0 và tương ứng U = U0
Ta có: U = IR = ℰ - Ir
Khi I = 0 thì U = U0 = ℰ = Umax
Câu C2 (trang 52 SGK Vật Lí 11):
Từ hệ thức: UN = I.RN = ℰ - Ir, hãy cho biết trong những trường hợp nào thì hiệu điện thế U giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động ℰ nó?
Trả lời:
- Khi điện trở trong của nguồn điện bằng không (r = 0);
- Khi cường độ dòng điện trong mạch bằng không (I = 0) nếu điện trở ngoài RN rất lớn.
Câu C3 (trang 52 SGK Vật Lí 11):
Một pin có số ghi trên vỏ là 1,5 V và có điện trở trong là 1,0 Ω. Mắc một bóng đèn có điện trở R = 4 Ω vào hai cực của pin này để thành mạch điện kín. Tính cường độ dòng điện chạy qua đèn khi đó và hiệu điện thế giữa hai đầu của nó.
Trả lời:
Cường độ dòng điện qua đèn: \(I=\frac{\mathcal{E}}{{{R}_{N}}+r}=\frac{1,5}{1+4}=0,3\,A.\)
Hiệu điện thế giữa hai đầu bóng đèn: U = I.R = 0,3.4 = 1,2 V.
Câu C4 (trang 52 SGK Vật Lí 11):
Hãy cho biết vì sao rất nguy hiểm nếu để xảy ra hiện tượng đoản mạch xảy ra đối với mạng điện ở gia đình. Biện pháp nào được sử dụng để tránh không xảy ra hiện tượng này?
Trả lời:
+ Sẽ rất nguy hiểm nếu xảy ra hiện tượng đoạn mạch đối với mạng điện gia đình vì khi đó cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn điện và các thiết bị điện rất lớn sẽ làm hư hỏng thiết bị và thậm chí gây cháy nổ các thiết bị đó dẫn đến gây nguy hiểm đến tính mạng con người.
+ Biện pháp phòng tránh:
- Mỗi thiết bị điện cần sử dụng công tắc riêng:
- Tắt các thiết bị điện (rút phích cắm) ngay khi không còn sử dụng:
- Nên lắp cầu chì ở mỗi công tắc, nó có tác dụng ngắt mạch ngay khi cường độ dòng điện qua cầu chì quá lớn
Câu C5 (trang 53 SGK Vật Lí 11):
Từ công thức \(H=\frac{{{A}_{ci}}}{A}=\frac{{{U}_{N}}.I.t}{\mathcal{E}.I.t}=\frac{{{U}_{N}}}{\mathcal{E}}\) hãy chứng tỏ rằng trong trường hợp mạch ngoài chỉ gồm điện trở thuần RN thì hiệu suất của nguồn điện có điện trở trong r được tính bằng công thức \(H=\frac{{{R}_{N}}}{{{R}_{N}}+r}\)
Trả lời:
Ta có: UN = I.RN và ℰ = I.(RN + r)
Hiệu suất của nguồn điện khi này: \(H=\frac{{{U}_{N}}}{\mathcal{E}}=\frac{I.{{R}_{N}}}{I.\left( {{R}_{N}}+r \right)}=\frac{{{R}_{N}}}{{{R}_{N}}+r}\)
D. CÂU HỎI – BÀI TẬP
Bài 1 (trang 54 SGK Vật Lí 11):
Định luật ôm đối với toàn mạch đề cập tới loại mạch điện kín nào? Phát biểu định luật và viết hệ thức biểu thị định luật đó.
Lời giải:
- Định luật ôm đối với toàn mạch đề cập tới loại mạch điện kín đơn giản nhất gồm nguồn điện có suất điện động ℰ và điện trở trong r, mạch ngoài gồm các vật dẫn có điện trở tương đương RN
- Phát biểu định luật: Cường độ dòng điện chạy trong mạch điện kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch đó.
- Hệ thức biểu thị định luật : \(I=\frac{\mathcal{E}}{{{R}_{N}}+r}\)
Bài 2 (trang 54 SGK Vật Lí 11):
Độ giảm điện thế trên một đoạn mạch là gì ? Phát biểu mối quan hệ giữa suất điện động của nguồn điện và các độ giảm điện thế của các đoạn mạch trong mạch điện kín.
Lời giải:
Độ giảm điện thế trên một đoạn mạch là tích của cường độ dòng điện chạy trong mạch với điện trở của mạch: UN = I.RN
Mối quan hệ giữa suất điện động của nguồn điện và các độ giảm điện thế của các đoạn mạch trong mạch điện kín: ℰ = I.RN + I.r
⇒ Suất điện động của nguồn điện có giá trị bằng tổng các độ giảm điện thế ở mạch ngoài và mạch trong.
Bài 3 (trang 54 SGK Vật Lí 11):
Hiện tượng đoản mạch xảy ra khi nào và có thể gây ra các tác hại gì? Có cách nào để tránh được hiện tượng này?
Lời giải:
+ Hiện tượng đoản mạch xảy ta khi nối hai cực của một nguồn điện bằng một dây dẫn có điện trở rất nhỏ . Khi đó dòng điện trong mạch có cường độ rất lớn và có hại
+ Biện pháp phòng tránh:
- Mỗi thiết bị điện cần sử dụng công tắc riêng;
- Tắt các thiết điện (rút phích cắm) ngay khi không còn sử dụng;
- Nên lắp cầu chì ở mỗi công tắc, nó có tác dụng ngắt mạch ngay khi cường độ dòng điện qua cầu chì quá lớn
Bài 4 (trang 54 SGK Vật Lí 11):
Chọn câu trả lời đúng.
Trong mạch điện kín, hiệu điện thế mạch ngoài UN phụ thuộc như thế nào vào điện trở RN của mạch ngoài?
A. UN tăng khi RN tăng
B. UN giảm khi RN giảm
C. UN không phụ thuộc vào RN
D. UN lúc đầu giảm, sau đó tăng dần khi RN tăng dần từ 0 đến vô cùng.
Lời giải: Chọn A.
Ta có: \({{\text{U}}_{\text{N}}}=\text{I}\cdot {{\text{R}}_{\text{N}}}=\frac{\mathcal{E}}{{{\text{R}}_{\text{N}}}+\text{r}}\cdot {{\text{R}}_{\text{N}}}=\frac{\mathcal{E}}{1+\frac{\text{r}}{{{\text{R}}_{\text{N}}}}}\)
Khi RN tăng thì \(\left( 1+\frac{\text{r}}{{{\text{R}}_{\text{N}}}} \right)\) giảm do đó UN tăng.
Bài 5 (trang 54 SGK Vật Lí 11):
Mắc một điện trở 14 Ω vào hai cực của một nguồn điện có điện trở trong là 1 Ω thì hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn là 8,4 V.
a) Tính cường độ dòng điện chạy trong mạch và suất điện động của nguồn điện.
b) Tính công suất mạch ngoài và công suất của nguồn điện khi đó.
Lời giải:
a) Cường độ dòng điện trong mạch: \(I=\frac{{{U}_{N}}}{R}=\frac{8,4}{14}=0,6\,A\)
Suất điện động của nguồn điện: ℰ = UN + I.r = 8,4 + 0,6.1 = 9 V.
b) Công suất mạch ngoài : Ρmạch = U.I = 8,4.0,6 = 5,04 W
Công suất của nguồn điện: Ρnguồn = ℰ. I = 9.0,6 = 5,4 W
Bài 6 (trang 54 SGK Vật Lí 11):
Điện trở trong của một Acquy là 0,06 Ω và trên vỏ của nó có ghi 12 V. Mắc vào hai cực của Acquy này một bóng đèn có ghi 12 V- 5 W
a) Hãy chứng tỏ rằng bóng đèn khi đó gần như sáng bình thường và tính công suất tiêu thụ điện thực tế của bóng đèn khi đó.
b) Tính hiệu suất của nguồn điện trong trường hợp này.
Lời giải:
a) Bóng đèn có ghi 12 V- 5 W ⇒ Uđm = 12 V, Pđm = 5 W
Điện trở bóng đèn: \(\text{R}=\frac{\text{U}_{\text{dm}}^{2}}{{{\text{P}}_{\text{dm }}}}=\frac{{{12}^{2}}}{5}=28,8\,\Omega\)
Cường độ dòng điện chạy qua đèn: \(\text{I}=\frac{\mathcal{E}}{\text{R}+\text{r}}=\frac{12}{28,8+0,06}=0,4158~\,\text{A}\)
Hiệu điện thế hai đầu bóng đèn khi này: U = I.R = 0,4158.28,8 = 11,975 V
Giá trị này gần bằng hiệu điện thế định mức ghi trên bóng đèn, nên ta sẽ thấy đèn sáng gần như bình thường.
Công suất tiêu thụ của bóng đèn khi này là: P = U.I = 11,975.0,4158 ≈ 4,98 W
b) Hiệu suất của nguồn điện là: \({\rm{H}} = \frac{{\rm{U}}}{{\cal E}} = \frac{{11,975}}{{12}} = 99,8\% \)
Bài 7 (trang 54 SGK Vật Lí 11):
Nguồn điện có suất điện động là 3 V và có điện trở trong là 2 Ω . Mắc song song hai bóng đèn như nhau có cùng điện trở là 6 Ω vào hai cực của nguồn điện này.
a) Tính công suất tiêu thụ điện của mỗi bóng đèn .
b) Nếu tháo bỏ một bóng đèn thì bóng đèn còn lại sáng mạnh hơn hay yếu hơn so với trước đó.
Lời giải:
a) Điện trở tương đương của hai bóng đèn: \({{\text{R}}_{\text{N}}}=\frac{{{\text{R}}_{\text{d}1}}\cdot {{\text{R}}_{\text{d}2}}}{{{\text{R}}_{\text{d}1}}+{{\text{R}}_{\text{d}2}}}=\frac{6.6}{6+6}=3\,\Omega\)
Cường độ dòng điện trong mạch: \(\text{I}=\frac{\mathcal{E}}{\text{R}+\text{r}}=\frac{3}{3+2}=0,6~\,\text{A}\)
Vì hai đèn giống nhau mắc song song nên cường độ dòng điện qua mỗi đèn là: Iđ1 = Iđ2 = I/2 = 0,3 A
Công suất tiêu thụ của mỗi bóng đèn: Pđ1 = Pđ2 = Rđ1.I2đ1 = 6. 0,32 = 0,54 W
b) Nếu tháo bỏ một bóng đèn (giả sử tháo bỏ đèn 2):
Cường độ dòng điện trong mạch: \(\text{I'}=\frac{\mathcal{E}}{{{\text{R}}_{d1}}+\text{r}}=\frac{3}{6+2}=0,375~\,\text{A}\,\text{=}\,{{\text{I}}_{đ1}}^{\prime }\)
Công suất tiêu thụ của bóng đèn 1: Pđ1 = Rđ1.(Iđ1)2 = 6. 0,3752 ≈ 0,84 W
Vậy đèn còn lại sẽ sáng hơn lúc trước.
Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 11 bài Định luật Ôm đối với toàn mạch do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc các bạn học tập vui vẻ