Phát triển tư duy cho học sinh qua một số dạng bài tập chương dòng điện không đổi vật lý 11

Điện năng và công suất điện- Định luật Jun-Lenz 3 1: Dạng 1: Dòng điện không đổi, định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ có điện trở 7 2... Trong đó, chương “ Dòng điện không đổi” có sự áp dụng

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT 4 THỌ XUÂN

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHÁT TRIỂN TƯ DUY CHO HỌC SINH QUA MỘT SỐ DẠNG BÀI

TẬP CHƯƠNG DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI VẬT LÝ 11

Người thực hiện: Hà Sỹ Phương Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật Lý

THANH HOÁ NĂM 2017

MỤC LỤC

2 Điện năng và công suất điện- Định luật Jun-Lenz 3

1: Dạng 1: Dòng điện không đổi, định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ có điện trở 7

2 Dạng 2:Định luật Ohm đối với đoạn mạch chứa nguồn 12

3.Dạng 3: Công và công suất của dòng điện, định luật Jun- Lenxơ 15

A PHẦN MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Ngày nay lượng kiến thức khoa học nói chung và kiến thức vật lý nói riêngcàng lúc càng rộng lớn, gần gũi với đời sống thực tế Trong hệ thống giáo dục ,Vật Lý được xem là một trong những môn học quan trong hàng đầu, nghiên cứusâu rộng về các đặc tính các dạng vật chất cũng như các hiện tượng xảy ra trong

tự nhiên Trong đó, có thể xem Điện học là một ứng dụng hàng đầu trong thực

tiễn phục vụ rộng rãi trong khoa học, kĩ thuật đời sống Ở chương trình phổthông, học sinh được tiếp cận với kiến thức này từ lớp 11, với bước đầu tìm hiểu

khái quát về điện học - điện từ học Trong đó, chương “ Dòng điện không đổi”

có sự áp dụng gần gũi với thực tế nên việc nắm giữ kiến thức chương này là rấtquan trọng, trình bày kiến thức về nguồn điện, máy thu và các định luật cơ bản

về dòng điện không đổi như định luật Jun - Lenz, định luật Ohm đối với toànmạch, đối với các loại mạch điện Để có được sự hiểu biết kĩ về phần này cũngnhư có thể áp dụng vào thực tế thì đầu tiên học sinh cần phải có kĩ năng giải bàitập, vận dụng kiến thức đã học để giải các bài tón mạch điện Việc thành thạo vềbài tập tính toán các thông số mạch điện tạo cơ sở để học sinh am hiểu hơn vềnguyên tắc hoạt động của các thiết bị điện trong thực tế

Quá trình học tập về chương “Dòng điện không đổi” học sinh 11 thường gặp

những khó khăn trong việc giải quyết các bài tập tính toán mạch điện, sự phân

bố dòng điện trong mạch, vận dụng các công thức, định luật cũng như cách tínhmức tiêu thụ, hiệu suất của các dụng cụ điện nắm được vai trò cũng như nhữngkhó khăn gặp phải của học sinh khi học tập về chương này nên bài tiểu luận với

đề tài “Phát triển tư duy cho học sinh qua một số dạng bài tập chương dòng

điện không đổi Vật Lý 11” đưa ra các dạng bài tập cũng như các phương pháp

giải, để phần nào giảm bớt khó khăn cho học sinh góp vào việc nâng cao chấtlượng dạy và học bộ môn Vật Lý 11

II Đối tượng nghiên cứu:

- Các mạch điện một chiều

- Định luật Ohm cho các loại mạch điện, định luật Jun_Lenz

III Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Phân được các dạng bài tập cụ thể

- Có phương pháp giải rõ ràng

- Xây dựng được hệ thống bài tập đặc trưng cho từng dạng và giải cụ thể

IV Mục tiêu nghiên cứu:

- Xây dựng được các dạng bài tập cụ thể và điển hình cho chương dòng điện

- Hệ thống kiến thức cơ bản

- Nghiên cứu, tham khảo bài tập ở các tài liệu

- Tìm hiểu, rút ra những khó khăn gặp phải của học sinh trong quá trình giải bàitập để từ đó đưa ra những dạng bài tập cụ thể

B NỘI DUNG

I.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.Dòng điện không đổi – Nguồn điện:

a.Dòng điện – Các tác dụng của dòng điện:

- Dòng điện là dòng dịch chuyển có hướng của các điện tích (các hạt tải

điện).Chiều dòng điện là chiều dịch chuyển có hướng của các điện tích dương.

- Dòng điện có các tác dụng nhiệt, tác dụng quang, tác dụng hóa và đặc trưng nhất

là tác dụng từ

b.Cường độ dòng điện – Định luật Ohm:

- Cường độ dòng điện đặc trưng cho tác dụng mạnh, yếu của dòng điện, được xác

định bằng thương số giữa điện lượng ∆q dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật

dẫn trong thời gian ∆t :

t

q I

t

q

I =

- Định luật Ohm đối với đoạn mạch chỉ có điện trở R: cường độ dòng điện chạy

qua đoạn mạch chỉ chứa điện trở R tỉ lệ thuận với hiệu điện thế U đặt vào hai đầuđoạn mạch và tỉ lệ nghịch với điện trở R:

c.Nguồn điện – Suất điện động:

- Nguồn điện là thiết bị tạo ra và duy trì hiệu điện thế, nhằm duy trì dòng điện

trong mạch

- Suất điện động của nguồn là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công

của nguồn điện, được đo bằng thương số giữa công A của lực lạ thực hiện khi dịchchuyển một điện tích dương q bên trong nguồn từ cực âm đến cực dương và độ lớncủa điện tích q đó: E =

2.Điện năng và công suất điện – Định luật Jun-Lenz:

a.Công và công suất của dòng điện:

- Công của dòng điệnchạy qua một đoạn mạch là công dịch chuyển các điện tích tự

do trong đoạn mạch và bằng tích hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường

độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch đó: A = q.U = U.I.t

- Công suất của dòng điện trên đoạn mạch bằng công dòng điện thực hiện trongmột đơn vị thời gian: P = = U.I

- Định luật Jun-Lenz: Nhiệt lượng tỏa ra trên một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trởvật, bình phương cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn:

Q = R.I2.t

b.Công và công suất của nguồn điện:

- Công của nguồn điện: A = q.E = E.I.t

- Công suất nguồn điện: P = = E.I

c.Công và công suất của dụng cụ tiêu thụ điện:

- Dụng cụ tiêu thụ điện chỉ tỏa nhiệt:

+ Nhiệt lượng: Q = R.I 2 t

+ Công: A = U.I.t = R.I 2 t = t

+ Công suất: P = U.I = R.I2 =

- Máy thu điện:

+ Suất phản điện: E p = : công có ích (điện năng có ích): điện lượng qua mạch

+ Điện năng: A p = + =E p I.t+r p t=U.I.t

+ Công suất: P = = Ep I + r p I 2

+ Hiệu suất máy thu điện: H = 1 -

3.Định luật Ohm đối với toàn mạch:

a.Định luật Ohm đối với toàn mạch:Cường độ dòng điện trong mạch kín tỉ lệ thuận

với suất điện động của nguồn và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch

I =

b.Hiện tượng đoản mạch:

Khi điện trở mạch ngoài nhỏ không đáng kể R 0 thì nguồn điện bị đoản mạch Khi

đó: I =

c.Mạch ngoài có máy thu:

Cường độ dòng điện chạy trong mạch: I =

E, r p : suất phản điện và điện trở trong của máy thu

d.Hiệu suất nguồn điện:

+ Nguồn điện: H = =

+ Máy thu: = 1-

4.Định luật Ohm đối với các loại đoạn mạch:

a.Định luật Ohm đối với mạch chứa nguồn:

Dòng điện ra khỏi nguồn ở cực dương chiều từ A đến B, biểu thức định luật Ohm:

I =

b.Định luật Ohm đối với đoạn mạch chứa máy thu:

Dòng điện vào cực dương, chạy từ A đến B, biểu thức định luật Ohm:I =

c.Biểu thức tổng quát của định luật Ohm đối với các loại đoạn mạch:

- Xét đoạn mạch AB có chiều dòng điện từ A đến B

Quy ước: E là giá trị đại số của suất điện động

Nguồn: E > 0 Máy thu: E < 0 E = -E P

-Suất điện động bộ:

E b = mE

-Điện trở trong bộ:

r b =

II:CÁC DẠNG BÀI TẬP ĐIỂN HÌNH

Dạng 1: Dòng điện không đổi, định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ có điện trở.

1 Phương pháp giải:

Để giải được bài tập dạng này, học sinh cần nắm các vấn đề sau:

- Biết cách vẽ, kí hiệu các dụng cụ điện và sơ đồ mạch điện; biết cách chuyển sơ

đồ từ dạng phức tạp sang đơn giản

- Sử dụng các công thức để tính cường độ dòng điện: I=

- Trong mạch điện, ampe kế mắc nối tiếp với mạch điện và có điện trở rất bé.Vôn kế mắc song song với mạch và có điện trở rất lớn.

1 1 1

2 1

+ + +

a) Cường độ dòng điện qua vật dẫn.

b) Để cường độ dòng điện qua vật dẫn tăng gấp đôi thì trong 3 phút điện lượng qua vật dẫn là bao nhiêu.

- Hướng giải quyết:

Áp dụng công thức tính cường độ dòng điện không đổi để tính

b Gọi I’ là cường độ dòng điện của vật dẫn lúc sau, ta có: = 2I =1 (A)

⇒ Điện lượng cần qua vật dẫn trong thời gian t’=3 phút = 180s:

q’=I’.t’=1.180=180 (C)

R A =1Ω , các điện trở R 1 =2 Ω, R 2 =3 Ω, R 3 =R 4 =4 Ω Tính số chỉ của ampe kế khi: a)K 1 ngắt, K 2 đóng.

b)K 1 , K 2 đều đóng.

A A U B

C R1 M R2 N R3 P R4 Q

K1

K2+ -

- Hướng giải quyết:

Nhận xét cách nối các điện trở trong từng trường hợp đóng, mở của các

khóa K

Vẽ lại sơ đồ mạch điện và vận dụng định luật Ohm để giải

- Giải:

a)K1 ngắt, K2 đóng

-K2 đóng thì xảy ra hiện tượng đoản mạch R3, R4 Khi đó: UNQ=0

Do vậy, mạch điện được mắc: RA nt R1 nt R2

-Cường độ dòng điện qua mạch: I=

4 3 2 1

24 R

R

+ +

= +

+ AB

U

(A) ⇒Số chỉ của ampe kế: IA=4 A.

-Mạch điện nối: RA nt (R1//R2//R3).

-Điện trở tương đương:R=RA+ 1

4 3 2

1 1 1

1

R R R R

+ +

-Cường độ dòng điện qua mạch: I= 5 , 71

7

40 2 , 4

ampe kế và các dây nối không đáng kể Biết ampe kế chỉ 3A Tính U AB và dòng điện qua các điện trở

-Hướng giải quyết:

Đối với bài tập này, cần chú ý đến các điều kiện đề bài cho để vẽ lại mạch điệntương đương đơn giản hơn, thuận lợi cho việc giải tìm Đồng thời chú ý đến các giátrị của điện trở để giải

4

3 = +R R

R R

Ω R234=R2+R34=15

Ω ⇒RAB= . 7 , 5

234 1

234

+R R

R R

(3)

Từ(1)(2)(3)⇒IA=IB

-4

AB I

=4

Bài 4: Cho mạch điện như hình vẽ (mạch cầu điện trở, gọi tắt là mạch cầu) Chứng

minh rằng nếu I 5 (Mạch cầu cân bằng) ta có hệ thức :

4

3 2

1

R

R R

R

=

- Hướng giải quyết:

Đây là dạng bài tập về mạch điện mắc theo kiểu mạch cầu Học sinh cần vận

dụng định luật Ohm Từ đó dẫn tới hệ thức cần chứng minh

- Giải :

Khi I5=0, không có dòng điện qua CD và Vc=VD Khi đó mạch điện được mắc

theo kiểu (R1 nt R2) // (R3 nt R4)

Lại có : I1=I2 ⇒ I3=I4 (1)

Mạch điện được vẽ lại theo hình vẽ bên :

Theo định luật Ohm ta có :

1

R

R R

chiều dài l=30cm, hiệu điện thế U MN =3V.

G là kim điện thế đo cường độ dòng điện qua CD.

a)Tìm vị trí con chạy D để G chỉ số 0.

b)Cường độ dòng điện qua dây AB biết AB có tiết diện S=10 -2 mm 2 , điện trở suất

=

ρ 4.10 -7 Ω/m.

c)Cho R G≈0, tìm vị trí con chạy D để G chỉ 0,5A.

- Hướng giải quyết:

Để giải bài tập này, học sinh cần :

-Vẽ lại sơ đồ mạch điện, chú ý các giả thiết đề cho để

nhận xét về mạch

-Dùng công thức tính điện trở dây dẫn, định luật Ohm,

điều kiện cho mạch cầu cân bằng để giải

a)Khi kim điện kế chỉ số 0, con chạy D chia dây AB thành 2 phần gọi là Rx và Ry

với các chiều dài tương ứng là : x và l-x

Mạch điện dược vẽ lại như hình bên:

2 3

2 3

2

2

1 2

x R

R R

R R

U

(A)c)Theo đề : RG ≈0 nên : đoản mạch trên đoạn CD

⇒chập 2 điểm C và D Mạch điện được vẽ lại

R

R R

+

=

2

1 1

Điện trở tương đương R2 và Ry : R2y=

R R

R

R R

−

−

=

− +

−

=

3 36 12

3

) 12 ( 3

2 2

Điện trở tương đương toàn mạch :

R=R1x+R2y= =

−

− +

R R

R

15

3 36 2

2

30 3

72 5

x x R R

R R

.-Cường độ dòng điện qua mạch :

60

) 15 )(

2 ( 72 5

60

30 3

= +

−

+

−

x x

x x

x x

x x

R R

R R

U R

R

R R

U

-Cường độ dòng điện qua R1 : I1=

1

1 1

1

R

U R

Với: U1x=I.R1x=U.

72 5

60

) 15 ( 2 2

2 72 5

60

) 15 )(

2 (

2

−

= + +

−

− +

x x

x x

x

x

x x

x x

R R

R R

U R

R R

R

R R

⇒

72 5

60

) 15 ( 3 ) 72 5

60 (

) 15 ( 2

2 2

−

−

=

x x

x x

x x

x x

R R

R R

R R R

R R

U I

-Cường độ dòng điện qua R2 : I2=

2

2 2

2

R

U R

U = y

Với :U2x=I.R2y=U .3615 3 (602 ).53(12 72 )

72 5

60

) 15 )(

2 (

2

− +

=

−

− +

−

− +

x x

x x

x

x

x x

x x

R R

R R

U R

R R

R

R R

72 5

60

) 12 )(

2 ( 3 ) 72 5

60

(

) 12 )(

2

(

3

2 2

2

+

−

− +

= +

−

− +

=

⇒

x x

x x

x x x

x x

R R

R R

R R R

R R

60

72 3

30 72 5

60

3 15 3 5

,

2 2

2 2

x x

x x

x x

R R

R R R

R

R R

I

72 5

60

72 15

x R R R

36 5

, 2 30 72

S R

10 4

10 225 , 10

S

R

10 4

10 84 , 0

*Vậy khi D cách A 25,56cm hoặc 2,1cm thì kim điện kế G chỉ 0,5 A

Dạng 2: Định luật Ohm đối với đoạn mạch chứa nguồn.

1 Phương pháp giải:

- Cần nắm được công thức của định luật Ohm cho toàn mạch: I =

- Chú ý cách mắc các nguồn trong sơ đồ

- Phân biệt rõ nguồn và máy thu để sử dụng công thức thích hợp

- Khi trong mạch điện không cho chiều dòng điện thì cần giả sử chiềudòng điện để giải bằng cách áp dụng định luật Ohm Khi giải ra nếucường độ dòng điện có giá trị dương thì chiều dòng điện cùng chiều đãchọn, nếu có giá trị âm thì chiều dòng điện ngược chiều đã chọn

2.Bài tập mẫu:

R1=R2=9Ω Xác định cường độ dòng điện qua các điện trở

Bài 2: Một bộ nguồn điện có suất điện động E = 18V, có điện trở trong r = 6

mắc với mạch ngoài gồm bốn bóng đèn loại 6V-3W.

a.Tìm cách mắc để các bong đèn sáng bình thường.

b.Tính hiệu suất của nguồn điện trong từng cách mắc Cách mắc nào lợi hơn?

- Hướng giải quyết:Sử dụng các công thức liên hệ giữa các đại lượng điện trở, dòngđiện, điện thế, công suất để giải Vận dụng định luật Ohm, công thức tính hiệu suấtnguồn điện

- Giải:

a Cường độ dòng điện định mức qua mỗi bóng đèn: Iđ = Pđ = = 0,5 AKhi bốn bóng đèn sáng bình thường thì nó tiêu thụ đúng công suất định mức, do đócông suất mạch ngoài ta có thể xác định được: P = 4.3 = 12 W

Lại có công suất mạch ngoài:P = I2R = R

P R2 + (2 P r – E2) R + P r2 = 0

Thay P = 12W, E = 18V, r = 6Ω ta được: R2 – 15R + 36 = 0

Vì các bóng đèn giống nhau nên ta phải mắc chúng thành n dãy, mỗi dãy gồm mbóng đèn mắc nối tiếp và n.m = 4 Muốn các bóng đèn sang bình thường thì cường

độ dòng điện qua mỗi bóng phải đạt giá trị định mức Iđ Do đó:

- Khi R = R1 = 3Ω thì cường độ dòng điện trong mạch là: I1 = = 2 A

thì số dãy là: n1 = = 4 dãy và số bóng đèn mỗi dãy là: m1 = = 1 bóng

- Khi R = R2 = 12 thì cường độ dòng điện chạy trong mạch là:

I2 = = 1 A thì số dãy là: n2 = = 2 dãy và số bóng đèn mỗi dãy là:

m1 = = 2 bóng

a, Hiệu suất của nguồn điện:

Với cách mắc thứ nhất:H1 = = 33,3%

Với cách mắc thứ hai: H1 = = 66,7%

Như vậy khi mắc theo cách thứ hai (mắc 2 dãy gồm 2 đèn nối tiếp) thì hiệu suất lớn

hơn, do đó mắc theo cách này lợi hơn

Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ Biết suất điện động mỗi nguồn là e=3V, điện

trở trong r=1Ω, các điện trở R 1 =7Ω, R 2 =4Ω, dòng điện qua ampe kế bằng 0 Điện

trở ampe kế không đáng kể.

a.Tính R 3

b Thay R 3 = =15Ω thì số chỉ của ampe kế là bao nhiêu?

- Hướng giải quyết:Dựa vào các dữ kiện đã cho để xét đến sự phân bố dòng điện

trong mạch.Tính suất điện động và điện trở trong của bộ gồm nhiều nguồn nối với

nhau.Vận dung định luật Ohm để giải

- Giải:Giả sử chiều dòng điện chạy như hình

vẽ.Theo đề dòng điện qua ampe kế bằng không,

I3 = =

Dựa vào chiều dòng điện trong mạch ta có:

I3 = I1 + I2⇔ = + ⇔ =

⇔ 9 UNM +45 = 2 UNM⇒UNM = 4,1 V

Từ đó ta có dòng điện qua ampe kế là:IA = I2 = = 0,22 A

Vậy số chỉ của ampe kế là 0,22 A

Dạng 3: Công và công suất của dòng điện, định luật Jun – Lenxơ

1 Phương pháp giải : Cần nắm vững các kiến thức.

- Công và công suất của dòng điện trên mọi đoạn mạch trên trụ điện năng

+ Khi có cân bằng nhiệt thì Qtỏa = Qthu với Qthu có thể tính Qthu = cm (t2 – t1) và

Qtỏa tính theo định luật Jun – Lenxơ

+ Hiệu suất sử dụng là: H = 100%

2:Bài tập mẫu.

Bài 1: Một bộ nguồn gồm các nguồn điện giống nhau, mỗi nguồn có suất điện

động , điện trở trong r = 6Ω cung cấp điện cho một bóng đèn 12 V – 6 W sáng bình thường.

a) Nếu có 48 nguồn thì phải mắc chúng như thế nào ? Tính hiệu suất của bộ nguồn theo từng cách mắc

b) Tìm cách mắc sao cho chỉ cần số nguồn ít nhất Tính số nguồn đó và tính hiệu suất của bộ nguồn.

- Hướng giải quyết:

Dùng công thức tính suất điện động và điện trở trong cho các cách nốinguồn

Vận dụng công thức tính hiệu suất bộ nguồn để giải

- Giải: Giả sử bộ nguồn gồm N nguồn giống nhau mắc thành m dãy, mỗi dãy có n nguồn (N = nm) Suất điện động và điện trở trong của bộ nguồn là:

E b = nE = 2n ; r b = = =

Áp dụng định luật Ôm đối với toàn mạch : I =

Với R là điện trở của đèn, R = = 24 Ω

Vì đèn sang bình thường, ta có : I = I đ = = 0,5 A

Từ đó: 0,5 = Hay 3n 2 – 2nN + 12N = 0 (1)

a Với N = 48, phương trình (1) có nghiệm:

n 1 = 8 nguồn; n 2 = 24 nguồn

Một cách tương ứng m1 = = 6 dãy và m 2 = = 2 dãy

Vậy có hai cách mắc : 8 nguồn 6 dãy và 24 nguồn 2 dãy Điện trở trong của bộ

nguồn ứng với mỗi cách mắc : r b1 = = 8 Ω ; r b2 = = 72 Ω

Hiệu suất của bộ nguồn ứng với mỗi cách mắc :