Ví dụ: Chương 4: Ôn tập cuối năm

Ví dụ: Ôn tập cuối năm – Chương 4: Dòng điện. Mạch điện. Các định luật cơ bản

Giới thiệu

Chào các em, trong chương 4 của Vật lý 11, chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu về dòng điện không đổi, các đại lượng đặc trưng (cường độ dòng điện, suất điện động), định luật Ôm cho toàn mạch và các loại mạch điện cơ bản. Bài ôn tập cuối năm này sẽ giúp các em hệ thống lại toàn bộ kiến thức trọng tâm thông qua các ví dụ minh họa từng bước. Các em hãy tập trung theo dõi và tự mình thực hiện lại các bước để nắm chắc bài nhé.

Lý thuyết trọng tâm cần nhớ

Trước khi đi vào ví dụ, các em cần ôn lại một số công thức và định luật quan trọng sau:

• Cường độ dòng điện: \( I = \frac{q}{t} \) (A) – là lượng điện tích dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian.
• Định luật Ôm cho một đoạn mạch chỉ có điện trở: \( I = \frac{U}{R} \).
• Suất điện động của nguồn điện: \( \xi = \frac{A}{q} \) (V).
• Công của nguồn điện: \( A = \xi I t \).
• Định luật Ôm cho toàn mạch: \( I = \frac{\xi}{R_N + r} \), trong đó:
  • \( \xi \) là suất điện động của nguồn (V).
  • \( r \) là điện trở trong của nguồn (Ω).
  • \( R_N \) là điện trở tương đương của mạch ngoài (Ω).
• Công suất của nguồn: \( P_{nguồn} = \xi I \).
• Công suất tiêu thụ trên điện trở: \( P_R = I^2 R = UI \).

Ví dụ minh họa từng bước

Ví dụ 1: Tính cường độ dòng điện và điện trở tương đương

Đề bài: Cho mạch điện như hình vẽ (các em tự hình dung mạch nối tiếp gồm hai điện trở \( R_1 = 4\ \Omega \), \( R_2 = 6\ \Omega \) và một nguồn điện có suất điện động \( \xi = 12\ V \), điện trở trong \( r = 1\ \Omega \)). Tính:

1. Điện trở tương đương của mạch ngoài.
2. Cường độ dòng điện chạy trong mạch chính.
3. Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện.

Bài giải chi tiết từng bước:

Bước 1: Xác định loại mạch điện. Vì mạch ngoài gồm hai điện trở mắc nối tiếp nên điện trở tương đương tính bằng tổng các điện trở thành phần.

\( R_N = R_1 + R_2 = 4 + 6 = 10\ \Omega \).

Bước 2: Áp dụng định luật Ôm cho toàn mạch để tính cường độ dòng điện.

\( I = \frac{\xi}{R_N + r} = \frac{12}{10 + 1} = \frac{12}{11} \approx 1,09\ A \).

Bước 3: Tính hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn. Hiệu điện thế này chính bằng hiệu điện thế mạch ngoài: \( U = I \cdot R_N \).

\( U = 1,09 \times 10 = 10,9\ V \). (Hoặc có thể tính: \( U = \xi - I r = 12 - 1,09 \times 1 = 10,91\ V \)).

Kết luận: \( R_N = 10\ \Omega \); \( I \approx 1,09\ A \); \( U \approx 10,9\ V \).

Ví dụ 2: Tính công suất tiêu thụ và hiệu suất của nguồn

Đề bài: Vẫn với mạch điện ở ví dụ 1, hãy tính:

1. Công suất tiêu thụ trên mỗi điện trở.
2. Công suất của nguồn điện.
3. Hiệu suất của nguồn điện.

Bài giải chi tiết từng bước:

Bước 1: Tính cường độ dòng điện đã có: \( I \approx 1,09\ A \).

Bước 2: Tính công suất tiêu thụ trên mỗi điện trở. Vì mạch nối tiếp, dòng điện qua các điện trở bằng nhau.

• \( P_1 = I^2 R_1 = (1,09)^2 \times 4 = 1,1881 \times 4 \approx 4,75\ W \).
• \( P_2 = I^2 R_2 = (1,09)^2 \times 6 = 1,1881 \times 6 \approx 7,13\ W \).

Bước 3: Tính công suất của nguồn điện.

\( P_{nguồn} = \xi I = 12 \times 1,09 = 13,08\ W \).

Bước 4: Tính hiệu suất của nguồn. Hiệu suất được tính bằng tỉ số giữa công suất tiêu thụ có ích (trên mạch ngoài) và công suất nguồn sinh ra.

\( H = \frac{P_{mạch\ ngoài}}{P_{nguồn}} \times 100\% = \frac{P_1 + P_2}{P_{nguồn}} \times 100\% = \frac{4,75 + 7,13}{13,08} \times 100\% \approx \frac{11,88}{13,08} \times 100\% \approx 90,8\% \).

(Các em cũng có thể tính nhanh hiệu suất qua hiệu điện thế: \( H = \frac{U}{\xi} \times 100\% = \frac{10,9}{12} \times 100\% \approx 90,8\% \)).

Kết luận: \( P_1 \approx 4,75\ W \); \( P_2 \approx 7,13\ W \); \( P_{nguồn} \approx 13,08\ W \); \( H \approx 90,8\% \).

Ví dụ 3: Mạch điện có bóng đèn (tính toán liên quan đến định mức)

Đề bài: Một bóng đèn ghi (6V – 3W) được mắc vào một nguồn điện có suất điện động \( \xi = 9V \) và điện trở trong \( r = 2\ \Omega \). Coi điện trở của bóng đèn không thay đổi. Hỏi đèn có sáng bình thường không? Tính công suất thực tế của đèn.

Bài giải chi tiết từng bước:

Bước 1: Tính điện trở của bóng đèn dựa vào số ghi định mức.

Điện trở đèn: \( R_đ = \frac{U_{đm}^2}{P_{đm}} = \frac{6^2}{3} = \frac{36}{3} = 12\ \Omega \).

Bước 2: Tính cường độ dòng điện thực tế chạy trong mạch khi nối đèn vào nguồn.

Mạch ngoài chỉ có một điện trở \( R_đ \). Áp dụng định luật Ôm cho toàn mạch:

\( I = \frac{\xi}{R_đ + r} = \frac{9}{12 + 2} = \frac{9}{14} \approx 0,643\ A \).

Bước 3: So sánh dòng điện thực tế với dòng điện định mức của đèn.

Cường độ dòng điện định mức của đèn: \( I_{đm} = \frac{P_{đm}}{U_{đm}} = \frac{3}{6} = 0,5\ A \).

Vì \( I = 0,643\ A > I_{đm} = 0,5\ A \), nên đèn sáng hơn mức bình thường (có thể cháy nếu để lâu).

Bước 4: Tính công suất thực tế của đèn.

\( P_{thực} = I^2 R_đ = (0,643)^2 \times 12 = 0,4134 \times 12 \approx 4,96\ W \).

Kết luận: Đèn không sáng bình thường (sáng quá mức). Công suất thực tế khoảng 4,96 W.

Ghi nhớ

Để giải tốt các bài tập ôn tập chương 4, các em cần nắm vững các bước:

• Xác định rõ mạch điện: nối tiếp hay song song, đâu là mạch trong, mạch ngoài.
• Tính điện trở tương đương mạch ngoài \( R_N \).
• Áp dụng định luật Ôm cho toàn mạch để tìm dòng điện \( I \).
• Sử dụng các công thức liên quan đến công suất, nhiệt lượng, hiệu suất một cách linh hoạt.
• Luôn kiểm tra đơn vị của các đại lượng.

Bài tập gợi ý

Các em hãy tự luyện tập thêm các bài tập sau:

1. Bài 1: Cho mạch điện gồm: nguồn điện ( \( \xi = 6V, r = 0,5\ \Omega \) ) mắc nối tiếp với hai điện trở \( R_1 = 1,5\ \Omega \) và \( R_2 = 2\ \Omega \). Tính cường độ dòng điện, hiệu điện thế mạch ngoài và nhiệt lượng tỏa ra trên \( R_2 \) trong thời gian 10 phút.
2. Bài 2: Một mạch điện gồm: nguồn điện ( \( \xi = 24V, r = 1\ \Omega \) ), mạch ngoài có \( R_1 = 3\ \Omega \) nối tiếp với \( R_2 \). Biết dòng điện trong mạch là 4A. Hãy tìm giá trị của \( R_2 \) và công suất tiêu thụ trên toàn mạch ngoài.
3. Bài 3: Một bóng đèn ghi (12V – 6W) được mắc vào nguồn điện ( \( \xi = 15V, r = 1\ \Omega \) ) qua một biến trở \( R_b \). Cần điều chỉnh biến trở bằng bao nhiêu để đèn sáng bình thường? Khi đó, công suất của nguồn là bao nhiêu?

Chúc các em ôn tập tốt và đạt kết quả cao trong kỳ thi cuối năm!