XÁC ĐỊNH SUẤT ĐIỆN ĐỘNG VÀ ĐIỆN TRỞ TRONG CỦA MỘT PIN ĐIỆN HÓA

BÀI 12: THỰC HÀNH

XÁC ĐỊNH SUẤT ĐIỆN ĐỘNG VÀ ĐIỆN TRỞ TRONG CỦA MỘT PIN ĐIỆN HÓA

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

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

2. Sử dụng các đồng hồ đo điện vạn năng hiện số (Digital Multimeter) để đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện trong các mạch điện.

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

Bộ thiết bị thí nghiệm “Xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hóa: được bố trí như Hình 12.1.

1. Pin điện hoá (loại pin “Con thỏ”)
2. Biến trở núm xoay R (loại 10 Ω × 10)
3. Đồng hồ đo điện đa năng hiện số (DT-830B) dùng là chức năng miliampe kế một chiều A.
4. Đồng hồ đo điện đa năng hiện số (DT-830B) dùng là chức năng vôn kế một chiều V.
5. Điện trở bảo vệ R0.
6. Bộ dây dẫn nối mạch có hai đầu phích cắm
7. Khoá đóng – ngát điện K.

III. CƠ SỞ LÍ THUYẾT

• Xét mạch kín gồm một pin điện hóa có suất điện động ℰ và điện trở trong r mắc nối tiếp với điện trở bảo vệ R0, miliampe kế A và biến trở núm xoay R.

• Định luật Ôm cho đoạn mạch chứa nguồn điện MN: UMN = U = ℰ − I (R0 + r )
• Mặt khác: U = I (R + RA) Suy ra \(I={{I}_{A}}=\frac{\mathcal{E}}{R+{{R}_{A}}+{{R}_{0}}+r}\)
• Với RA, 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 chọn R0 khoảng 20 Ω để cường độ dòng điện qua pin không quá 100 mA
• Ta đo RA 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 → RA. Tiến hành đo R0 tương tự.

IV. GIỚI THIỆU DỤNG CỤ ĐO

1. Đồng hồ đa năng hiện số

2. Những điểm cần chú ý khi thực hiện

a) Khi sử dụng đồng hồ DT-830B, ta cần vặn núm xoay của nó đến vị trí tương ứng với chức năng và thang đo cần chọn. Sau đó nối các cực của đồng hồ vào mạch điện. Gạt núm bật – tắt (ON – OFF) sang vị trí “ON” để các chữ số hiển thị trên màn hình của nó.

b) Nếu chưa biết rõ giá trị giới hạn của đại lượng cần đo, ta phải chọn thang đo có giá trị lớn nhất phù hợp với chức năng đã chọn.

c) Không đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế vượt quá giới hạn thang đo đã chọn.

d) Không chuyển đổi chức năng thang đo của đồng hồ khi đang có dòng điện chạy qua.

e) Không dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện để đo hiệu điện thế.

f) Khi thực hiện xong các phép đo, phải gạt núm bật – tắt của đồng hồ về vị trí “OFF” để tắt điện trong đồng hồ.

g) Phải thay pin 9 V bên trong đồng hồ khi ở góc bên trái màn hình của nó hiển thị kí hiệu

h) Phải tháo pin 9 V này ra khỏi đồng hồ nếu trong thời gian dài (khoảng vài tháng) không sử dụng nó.

V. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1. Mắc pin diện hóa ℰ vào mạch điện như hình 12.1

Chọn điện trở R0 ≈ 20 Ω và chú ý:

• Khóa K ở vị trí ngắt điện (OFF);
• Biến trở R ở vị trí 100 Ω;
• Miliampe kế hiện số A ở vị trí DCA 200m, cực (+) là lỗ cắm "VΩmA", cực (-) là lỗ cắm "COM";
• Vôn kế hiện số V ở vị trí DCV 20, cực (+) là lỗ cắm "VΩmA", cực (-) là lỗ cắm "COM".

2. Gạt núm bật tắt của A và V sang vị trí "ON". Đóng khóa K. Ghi giá trị I và V vào bảng thực hành 12.1.

3. Thực hiện lại động tác (2) ở trên ứng với mỗi giá trị của biến trở R.

Điều chỉnh biến trở để giảm dần điện trở từ 100 Ω xuống 30 Ω, mỗi lần giảm 10 Ω.

4. Dùng vôn kế hiện số đặt ở vị trí thang đo DCV 2000m, lần lượt mắc song song với điện trở R0 và RA để đo hiệu điện thế U' ở hai đầu mỗi điện trở. Xác định giá trị R0 và RA theo công thức: \(R=\frac{U\prime }{I}\)

5. Xác định giá trị ℰ và r của pin điện hóa theo hai phương án.

Phương án thứ nhất

Căn cứ các giá trị tương ứng của U và I trong bảng thực hành 12.1.

a) Vẽ đồ thị U = f(I) biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế U của đoạn mạch MN chứa nguồn và đoạn mạch để nghiệm lại hệ thức UMN = U = ℰ − I (R0 + r )

b) Ta xác định U0 và Im là các điểm mà tại đó đường kéo dài của đồ thị U = f (I) cắt trục tung và trục hoành: I = 0 ⇒ U0 = U

U = 0 ⇒ \({{I}_{m}}=\frac{\mathcal{E}}{{{R}_{0}}+r}\)

Từ đó suy ra giá trị suất điện động ℰ và điện trở trong r của pin điện hóa.

Phương án thứ hai

Từ hệ thức \(I={{I}_{A}}=\frac{\mathcal{E}}{R+{{R}_{A}}+{{R}_{0}}+r}\Rightarrow \frac{1}{I}=\frac{1}{\mathcal{E}}\left( R+{{R}_{A}}+{{R}_{0}}+r \right)\)

Hay \(y=\frac{1}{\mathcal{E}}\left( x+b \right)\) trong đó \(y=\frac{1}{I};\,x=R;\,b={{R}_{A}}+{{R}_{0}}+r\)

Căn cứ các giá trị tương ứng của R và I trong bảng thực hành 12.1

a) Tính các giá trị tương ứng của y và x

b) Vẽ đồ thị y = f(x) biểu diễn gián tiếp sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I trong mạch kín vào điện trở R để nghiệm lại định luật Ôm với toàn mạch theo hệ thức \(I=\frac{\mathcal{E}}{R+{{R}_{A}}+{{R}_{0}}+r}\)

c) Xác định tọa độ y0 và xm của các điểm tại đó đường kéo đài của đồ thị y = f(x) cắt trục tung và trục hoành:

y = 0 ⇒ xm = - b

x = 0 ⇒ \({{y}_{0}}=\frac{b}{\mathcal{E}}\)

Từ đó suy ra giá trị suất điện động ℰ và điện trở trong r của pin điện hóa.

VI. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu C1 (trang 64 SGK Vật Lí 11): Hãy nói rõ chức năng hoạt động của miliampe kế A, biến trở R, và điện trở bảo vệ R0 mắc trong mạch điện trong hình 12.2.

Trả lời:

• Chức năng hoạt động của miliampe kế A : Dùng để đo cường độ dòng điện I chạy trong đoạn mạch
• Chức năng hoạt động của biến trở R : Dùng để điều chỉnh điện trở của mạch điện
• Chức năng hoạt động của điện trở bảo vệ R0 : Dùng để thay thế điện trở của mạch khi điện trở của mạch bằng 0 ( Nếu để điện trở mạch bằng 0, cường độ dòng điện I lớn nhất , có thể gây hiện tượng đoản mạch )

Câu C2 (trang 64 SGK Vật Lí 11): Tại sao khi mắc một vôn kế V có điện trở không lớn vào hai đầu đoạn mạch MN thì cường độ dòng điện I trong đoạn mạch lại tăng lên và hiệu điện thế U giữa hai đầu đoạn mạch này lại giảm nhỏ ?

Trả lời:

• Vôn kế V có điện trở không lớn , tức là sẽ có cường độ dòng điện I lớn, vôn kế được mắc vào hai đầu đoạn mạch MN do đó cường độ dòng điện I trong đoạn mạch tăng lên
• Ta có công thức UMN = U = ℰ - I.( R0 + r ) , khi có I tăng, tích I.( R0 + r ) sẽ tăng , mà ℰ không đổi, nên hiệu điện thế U giữa hai đầu đoạn mạch này sẽ giảm

Câu C3 (trang 66 SGK Vật Lí 11): Tại sao không được phép dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện của đồng hồ đo điện đa năng hiện số để đo hiệu điện thế trong mạch điện ?

Trả lời:

Không được phép dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện của đồng hồ đo điện đa năng hiện số để đo hiệu điện thế trong mạch điện vì nếu dùng nhầm thang đo sẽ làm hỏng đồng hồ

Câu C4 (trang 66 SGK Vật Lí 11): Trong mạch điện hình 12.3, nếu để biến trở R hở mạch, thì số chỉ của vôn kế V sẽ bằng bao nhiêu ? Số chỉ này có đúng bằng giá trị suất điện động ℰ của pin điện hóa mắc trong mạch điện không ?

Trả lời:

Nếu để biến trở R hở mạch , thì số chỉ của vôn kế bằng: UV = ℰ - Iv(R0 + r) < ℰ. Dễ dàng nhận thấy, nếu vôn kế có điện trở Rv càng lớn thì cường độ dòng điện Iv chạy qua nguồn điện và vôn kế càng nhỏ, do đó số chỉ U của vôn kế càng gần với giá trị của suất điện động ℰ

Câu C5 (trang 67 SGK Vật Lí 11): Phải vẽ đường biểu diễn của đồ thị U = f(I) như thế nào để phù hợp với phép tính giá trị trung bình (thống kê) đối với các giá trị I và U được ghi trong Bảng thực hành 12.1

Trả lời:

Cần phải vẽ đường thẳng biểu diễn của đồ thị U = f(I) sao cho các điểm ghi trên đồ thị này nằm phân bố đều về cả hai phía của đường thẳng đó.

BÁO CÁO THỰC HÀNH

Họ và tên: ………………………………………. Lớp:…………………… Tổ: ……………………

1. Tên bài thực hành: Xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hóa

2. Bảng thực hành 12.1

Phương án thứ nhất :

a) Vẽ đồ thị U = f(I) trên giấy kẻ vuông ( khổ A4) với tỉ xích thích hợp, hoặc vẽ trên máy vi tính, trong Microsoft Excel

b) Nhận xét và kết luận:

• Dạng của đồ thị U = f(I) có giống với Hình 12.5
• Hệ thức (12.1) đối với đoạn mạch chứa nguồn điện có nghiệm đúng

c) Xác định tọa độ U0 và Im của các điểm tại đó đường kéo dài của đồ thị U = f(I) cắt trục tung và trục hoành:

• I = 0 ⇒ U0 = ℰ ≈ 1,8 (V)
• U = 0 ⇒ \({{I}_{m}}=\frac{\mathcal{E}}{{{R}_{0}}+r}\approx {{76,0.10}^{-3}}\,\left( A \right)\)

Từ đó suy ra: ℰ = 1,8 (V), r = 0,49 (Ω)

Phương án thứ hai :

a) Tính các giá trị tương ứng của y và x trong bảng thực hành 12.1

b) Vẽ đồ thị y = f(x) trên giấy kẻ ô vuông (khổ A4) với tỉ xích thích hợp, hoặc vẽ trên máy vi tính, trong Microsoft Excel

c) Nhận xét và kết luận :

• Dạng của đồ thị y = f(x) có giống với Hình 12.6
• Định luật Ôm đối với toàn mạch ( Hệ thức 12.2) có được nghiệm đúng

d) Xác định tọa độ xm và y0 của các điểm đó đường kéo dài của đồ thị y = f(x) cắt trục tung và trục hoành:

• y = 0 ⇒ xm = - b = - (RA + R0 + r ) = - ( 1,6 + 20,3 + r ) = - 22,38 (Ω)
• x = 0 ⇒ \({{y}_{0}}=\frac{b}{\mathcal{E}}=\frac{22,38}{\mathcal{E}}=14,4\)

Từ đó suy ra: ℰ = 1,56 (V), r = 0,48 (Ω)

C. CÂU HỎI – BÀI TẬP

Bài 1 (trang 70 SGK Vật Lí 11): Vẽ mạch điện và mô tả phương pháp xác định suất điện động và điện trở trong của pin điện hóa theo phương án thứ nhất trong thí nghiệm này.

Lời giải:

Vẽ mạch điện :

• Thực hiện đo các giá trị U và I tương ứng khi thay đổi R. Vẽ đồ thị mô tả mối quan hệ đó, tức U = f(I). Áp dụng phương pháp xử lí kết quả đo được bằng đồ thị, ta vẽ được đường biểu diễn. Ở đây dự đoán là một đường thẳng có dạng y = ax + b. Đường thẳng này sẽ cắt trục tung tại U0 và cắt trục hoành tại Im. Xác định giá trị của U0 và Im trên các trục. Đồ thị vẽ được có dạng như hình sau:

• Theo phương trình đồ thị, dựa vào công thức của định luật ôm cho toàn mạch ta có:

U = ℰ − I (R0 + r )

Khi I = 0 ⇒ U0 = U

Khi U = 0 ⇒ \({{I}_{m}}=\frac{\mathcal{E}}{{{R}_{0}}+r}\)

Bài 2 (trang 70 SGK Vật Lí 11): Vẽ mạch điện và mô tả phương pháp xác định suất điện động và điện trở trong của pin điện hóa theo phương án thứ hai trong thí nghiệm này.

Lời giải:

Từ hệ thức \(I={{I}_{A}}=\frac{\mathcal{E}}{R+{{R}_{A}}+{{R}_{0}}+r}\Rightarrow \frac{1}{I}=\frac{1}{\mathcal{E}}\left( R+{{R}_{A}}+{{R}_{0}}+r \right)\)

Hay \(y=\frac{1}{\mathcal{E}}\left( x+b \right)\) trong đó \(y=\frac{1}{I};\,x=R;\,b={{R}_{A}}+{{R}_{0}}+r\)

Căn cứ các giá trị tương ứng của R và I đo được:

a) Tính các giá trị tương ứng của y và x

b) Vẽ đồ thị y = f(x) biểu diễn gián tiếp sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I trong mạch kín vào điện trở R để nghiệm lại định luật Ôm với toàn mạch theo hệ thức \(I=\frac{\mathcal{E}}{R+{{R}_{A}}+{{R}_{0}}+r}\)

c) Xác định tọa độ y0 và xm của các điểm tại đó đường kéo đài của đồ thị y = f(x) cắt trục tung và trục hoành:

y = 0 ⇒ xm = - b

x = 0 ⇒ \({{y}_{0}}=\frac{b}{\mathcal{E}}\)

Từ đó suy ra giá trị suất điện động ℰ và điện trở trong r của pin điện hóa.

Bài 3 (trang 70 SGK Vật Lí 11): Muốn sử dụng đồng hồ đo điện đa năng hiện số làm chức năng miliampe kế hoặc vôn kế một chiều, ta phải làm như thế nào? Nếu những điểm cần chú ý thực hiện khi sử dụng đồng hồ này.

Lời giải:

Cách sử dụng đồng hồ đo điện đa năng hiện số làm chức năng miliampe kế hoặc vôn kế một chiều

• Khi sử dụng đồng hồ DT-830B, ta cần vặn núm xoay của nó đến vị trí tương ứng với chức năng và thang đo cần chọn. Sau đó nối các cực của đồng hồ vào mạch điện. Gạt núm bật – tắt (ON – OFF) sang vị trí “ON” để các chữ số hiển thị trên màn hình của nó.
• Nếu chưa biết rõ giá trị giới hạn của đại lượng cần đo, ta phải chọn thang đo có giá trị lớn nhất phù hợp với chức năng đã chọn.

Những điểm cần chú ý khi thực hiện

• Không đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế vượt quá giới hạn thang đo đã chọn.
• Không chuyển đổi chức năng thang đo của đồng hồ khi đang có dòng điện chạy qua.
• Không dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện để đo hiệu điện thế.
• Khi thực hiện xong các phép đo, phải gạt núm bật – tắt của đồng hồ về vị trí “OFF” để tắt điện trong đồng hồ.
• Phải thay pin 9 V bên trong đồng hồ khi ở góc bên trái màn hình của nó hiển thị kí hiệu
• Phải tháo pin 9 V này ra khỏi đồng hồ nếu trong thời gian dài (khoảng vài tháng) không sử dụng nó.

Bài 4 (trang 70 SGK Vật Lí 11): Tại sao có thể mắc nối tiếp vôn kế với pin điện hóa thành mạch kín để đo hiệu điện thế U giữa hai cực của pin, nhưng không được mắc nối tiếp miliampe kế với pin này thành mạch kín để đo cường độ dòng điện chạy qua pin ?

Lời giải:

• Vôn kế có điện trở rất lớn nên dòng điện qua vôn kế rất nhỏ không ảnh hưởng đến số đo.
• Miliampe kế có điện trở rất nhỏ nên dòng điện qua miliampe kế rất lớn sẽ ảnh hưởng nhiều đến dòng điện cần đo lẩm cho kết quả thí nghiệm không chính xác.

Bài 5 (trang 70 SGK Vật Lí 11): Tại sao cần phải mắc thêm điện trở bảo vệ Ro nối tiếp với pin điện hóa trong mạch điện ?

Lời giải:

Mắc thêm điện trở bảo vệ R0 nối tiếp với pin điện hóa trong mạch điện để cho dòng điện chạy qua pin điện hóa có cường độ đủ nhỏ sao cho chất oxi hóa có thời gian khử kịp sự phân cực của pin. Khi đó giá trị điện trở trong r hầu như không thay đổi.

Bài 6 (trang 70 SGK Vật Lí 11): Với các dụng cụ thí nghiệm đã cho trong bài này, ta có thể tiến hành thí nghiệm theo những phương án nào khác nữa?

Lời giải:

• Mắc mạch điện như hình vẽ dưới đây:

• Ta có: UMN = ℰ – I.r
• Thay đổi các giá trị điện trở của biến trở R đề tìm giá trị của U và I. Sau đó tiến hành các bước giống phương án thứ nhất để tìm ℰ và r.

Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 11 bài Xác định suất điện động và điện trở trong một pin điện hóa do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc các bạn học tập vui vẻ.