Phân tích chương Dòng điện không đổi

Với sự cấp thiết như vậy, tôi chọn đề tài tiểu luận cho môn học Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông 1 là “Nghiên cứu một số kiến thức cơ bản chương dòng điện không đổi” Việc nghiên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 3

Kết quả cần đạt 5

c) Công suất của nguồn điện Công suất của máy thu điện 6

- Nêu được máy thu điện là gì và ý nghĩa của suất phản điện của máy thu 6

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

MỞ ĐẦU

Tri thức vật lý học cũng như mọi tri thức khoa học khác không vốn có sẵn Tri thức được hình thành từng bước trong một quá trình lâu dài Để đáp ứng yêu cầu đổi mới phương pháp dạy học hiện nay nhằm phát huy tính tích cực, chủ động trong học tập của học sinh Giáo viên (GV) không chỉ nắm vững những kiến thức trong sách giáo khoa (SGK) mà còn phải có một tầm nhìn tổng quát đặc biệt là hiểu sâu về vấn đề đó

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, khoa học kỹ thuật, không cho phép

GV bằng lòng với những kiến thức mà mình đã có mà luôn đòi hỏi giáo viên phải thường xuyên bồi dưỡng và tiếp thu, cập nhật kiến thức SGK hiện nay đã đưa vào nhiều kiến thức

mở rộng, không chỉ học sinh (HS) mà ngay cả GV đôi khi cũng gặp khó khăn trong công tác giảng dạy Để có thể hoàn thành nhiệm vụ dẫn dắt HS chiếm lĩnh tri thức, người GV càng cần phải nghiên cứu sâu rộng hơn nữa những kiến thức khoa học Hơn nữa, người GV Vật lý phải nhận ra được những kiến thức cơ bản của môn Vật lý, biết phân loại được thành các nội dung cụ thể - như khái niệm, định luật, thuyết vật lý, phương pháp vật lý và các ứng dụng của nó trong kĩ thuật, để có thể đề ra những phương pháp tiếp cận tri thức phù hợp cho học sinh

Dòng điện không đổi là một phần của điện học, nghiên cứu các vấn đề cơ bản về dòng điện không đổi, bao gồm các khái niệm liên quan đến dòng điện, nguồn điện, điều kiện để có dòng điện Trong đó, định luật Ôm là một nội dung quan trọng nhất của chương, bao gồm định luật Ôm đối với đoạn mạch chỉ chứa điện trở R, định luật Ôm đối với toàn mạch, định luật Ôm đối với các loa ̣i đoạn mạch Những vấn đề này là cơ sở để nghiên cứu các vấn đề khác về dòng điện Do đó, việc đi sâu nghiên cứu nội dung kiến thức của phần này là rất cần thiết

Với sự cấp thiết như vậy, tôi chọn đề tài tiểu luận cho môn học Nghiên cứu chương

trình vật lý phổ thông 1 là “Nghiên cứu một số kiến thức cơ bản chương dòng điện

không đổi”

Việc nghiên cứu này chủ yếu nhằm hỗ trợ cho việc giảng dạy sau này của giáo viên THPT, do đó, những kiến thức trình bày trong phần này chỉ dựa trên quan điểm những kiến thức phổ thông, nghĩa là hạn chế những cách chứng minh, giải thích quá phức tạp, nặng về

sử dụng các công cụ toán học cao cấp như tích phân, vi phân … Đây cũng chính là một nội dung yêu cầu của môn học Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông 1

Tuy nhiên, trong giới hạn là một đề tài tiểu luận nên không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong Thầy, anh chị và các bạn giúp đỡ để đề tài được hoàn thiện hơn

NỘI DUNG

Chương “Dòng điện không đổi” là chương thứ hai trong chương trình Vật lí 11 Nâng cao Chương này gồm 14 tiết: 7 tiết lý thuyết, 4 tiết bài tập, 2 tiết thực hành và 1 tiết kiểm tra

Nhìn chung, các kiến thức của chương được xây dựng trên cơ sở kế thừa và phát triển từ chương trình vật lí trung học cơ sở Các khái niệm về dòng điện, cường độ dòng điện, nguồn điện, điện năng tiêu thụ, công suất điện…; các định luật: định luật Ôm đối với đoạn mạch chỉ chứa điện trở thuần, định luật Jun – Lenxơ HS đã được học ở chương trình

Vật lí lớp 7 và lớp 9 nhưng ở mức độ nhận thức đơn giản, chưa yêu cầu cao về kiến thức cũng như kỹ năng cần đạt Tuy nhiên đó cũng là những kiến thức nền, giúp HS có thể học tốt chương “Dòng điện không đổi” ở chương trình vật lí 11 Ở chương này, các kiến thức nêu trên được mở rộng, nâng cao hơn, đặt ra những yêu cầu cao hơn về kiến thức cũng như

kĩ năng, thái độ của HS như các kiến thức về định luật Ôm đối với toàn mạch, định luật Ôm đối với đoạn mạch có chứa nguồn điện và máy thu, mắc nguồn điện thành bộ, kĩ năng vận dụng được định luật Ôm để giải các bài tập về đoạn mạch có chứa nguồn điện và máy thu

…

Đây là chương nối tiếp kiến thức chương “Điện tích – Điện trường”, đồng thời là nền tảng để nghiên cứu các phần khác trong chương trình vật lí phổ thông như: dòng điện trong các môi trường, từ trường, dòng điện xoay chiều

Phần lớn các kiến thức của chương rất gần gũi và có nhiều ứng dụng trong đời sống

và kỹ thuật Dòng điện một chiều có thể dùng để thắp sáng, các nguồn điện một chiều cũng được sử dụng rộng rãi Trong các trường hợp dùng đến dòng điện không đổi ở hiệu điện thế nhỏ, nguồn điện đóng vai trò quan trọng, chẳng hạn đèn pin cầm tay, trên ô tô, xe máy … đều dùng các bình acquy để thực hiện việc “đề máy”, thắp sáng hệ thống đèn chiếu sáng, đèn tín hiệu Điện năng có thể dễ dàng chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác Đó là một đặc tính có tầm quan trọng đặc biệt, nhờ đó năng lượng điện được sử dụng rộng rãi trong đời sống và kỹ thuật Các mạch điện dùng trong thực tế là tương đối phức tạp, hầu hết các thiết bị điện đều có sự chuyển hóa năng lượng điện thành nhiều dạng năng lượng khác nhau Kiến thức về định luật Ôm cho mạch kín và cho các loại đoạn mạch giúp ta tính chính xác khi thiết kế và lắp ráp mạch điện Việc sử dụng các nguồn điện thích hợp và mắc chúng thành bộ một cách hợp lí sẽ nâng cao được hiệu suất sử dụng

Hệ thống bài tập của chương rất đa dạng và phong phú, phù hợp với những trình độ khác nhau của HS

II SƠ ĐỒ KIẾN THỨC

III.

CHUẨN

KIẾN

NĂNG

a) Dòng điện Dòng điện không đổi

b) Nguồn điện Suất điện động của nguồn

điện Pin, acquy

Kiến thức

- Nêu được dòng điện không đổi

- Nêu được suất điện động của nguồn điện

- Nêu được nguyên tắc tạo ra suất điện động trong pin và acquy

- Nêu được nguyên nhân vì sao acquy có thể

sử dụng được nhiều lần

- Nêu được công của nguồn điện là công của các lực lạ bên trong nguồn điện và bằng công của dòng điện chạy trong toàn mạch

c) Công suất của nguồn điện Công suất của

máy thu điện

d) Định luật Ôm đối với toàn mạch Định

luật Ôm đối với đoạn mạch có chứa nguồn

điện và máy thu điện

e) Mắc các nguồn điện thành bộ

Viết được công thức tính công của nguồn điện

- Nêu được công suất của nguồn điện và viết được công thức tính công suất của nguồn điện

- Nêu được máy thu điện là gì và ý nghĩa của suất phản điện của máy thu

- Phát biểu được định luật Ôm đối với toàn mạch

- Viết được hệ thức của định luật Ôm đối với đoạn mạch có chứa nguồn điện và máy thu điện

- Nêu được thế nào là mắc nối tiếp, mắc xung đối, mắc song song và mắc hỗn hợp đối xứng các nguồn điện thành bộ nguồn

Kĩ năng

- Vận dụng được công thức Ang = EIt và Png

= EI

- Vận dụng công thức tính công suất Pth = EI + I2r của máy thu

- Vận dụng hệ thức I =

N

R E + r

hoặc

U = E – Ir để giải được các bài tập đối với toàn mạch

- Tính được hiệu suất của nguồn điện

- Tính được suất điện động và điện trở trong của bộ nguồn mắc nối tiếp, mắc xung đối, mắc song song đơn giản hoặc mắc hỗn hợp

đối xứng.

- Vận dụng được định luật Ôm để giải các bài tập về đoạn mạch có chứa nguồn điện

và máy thu điện

- Giải được các bài tập về mạch cầu cân bằng và mạch điện kín gồm nhiều nhất 3 nút

- Mắc được các nguồn điện thành bộ nguồn nối tiếp, xung đối hoặc song song

- Tiến hành được thí nghiệm để đo suất điện động và điện trở trong của một pin

1 Dòng điện Dòng điện không đổi

1.1 Dòng điện

1.1.1 Định nghĩa

Khái niệm dòng điện cùng với khái niệm hiệu điện thế được Ampe đưa vào vật lí

học lần đầu tiên vào năm 1826 trong công trình mang tên "Lý thuyết các hiện tượng điện động lực học, rút ra thuần tuý bằng thí nghiệm" Thời đó, dòng điện chưa được định nghĩa

đầy đủ như hiện nay

Trong môi trường dẫn điện, các hạt điện tự do luôn luôn chuyển động nhiệt hỗn lọan Dưới tác dụng của điện trường ngoài, chúng sẽ chuyển động có hướng: các hạt mang điện dương sẽ chuyển động theo chiều điện trường E, các hạt mang điện âm sẽ chuyển động theo chiều ngược lại Dòng các hạt mang điện chuyển động có hướng như vậy gọi

là dòng điện

Dòng điện phát sinh trong vật dẫn, khi trong đó tồn tại điện trường, gọi là dòng điện dẫn (tuy nhiên, về sau ta gọi tắt là dòng điện)

Vậy, dòng điện là dòng các điện tích dịch chuyển có hướng.

1.1.2 Chiều của dòng điện

Dưới tác dụng của điện trường trong vật dẫn, các điện tích dương và âm chuyển động ngược chiều nhau Thí nghiệm chứng tỏ rằng sự chuyển động về hai hướng ngược nhau của các điện tích dương và âm tạo thành những dòng điện tương đương nhau về mọi phương diện Do đó ta có thể lý luận như thể dòng điện chỉ gây bởi sự dịch chuyển của các điện tích dương Theo quy ước lịch sử, chiều của dòng điện là chiều dịch chuyển của các điện tích dương

Nó được đưa ra để thống nhất quy ước về chiều dòng điện trong các trường hợp phức tạp như:

• Trong kim loại, thực tế các proton (tích điện dương) chỉ có các dao động tại chỗ, còn các electron (tích điện âm) chuyển động Chiều chuyển động của electron, do đó, ngược với chiều dòng điện quy ước

• Trong một số môi trường dẫn điện (ví dụ trong dung dịch điện phân, plasma, ), các hạt tích điện trái dấu (ví dụ các ion âm và dương) có thể chuyển động cùng lúc, ngược chiều nhau

• Trong bán dẫn loại p, mặc dù các electron thực sự chuyển động, dòng điện được miêu tả như là chuyển động của các hố điện tử tích điện dương

1.1.3 Bản chất của dòng điện

Bản chất của dòng điện trong các môi trường khác nhau thì khác nhau Cụ thể:

 Trong kim loại, các nguyên tử liên kết chặt chẽ với nhau, sắp xếp thành mạng tinh

thể nên các nguyên tử này không chuyển động có hướng dưới tác dụng của điện trường ngoài để tạo thành dòng điện Tuy nhiên, có một số electron do liên kết yếu với hạt nhân nên dễ dàng thoát khỏi sự liên kết với hạt nhân và trở thành e tự do, chuyển động hỗn loạn trong khoảng không gian giữa các mạng tinh thể Dưới tác dụng của điện trường ngoài các

e tự do này đã chuyển động có hướng để tạo thành dòng điện

Hình 1

Do đó bản chất của dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự do ngược chiều điện trường.

 Trong chất điện phân, các chất điện phân chẳng hạn muối, axit, bazo được hòa tan

vào trong nước chúng dễ dàng tách ra thành các ion trái dấu hoặc chuyển động nhiệt mạnh trong các muối hay bazo nóng chảy cũng làm các phân tử phân li thành các ion tự do như các dung dịch Khi chưa có điện trường ngoài, các ion chuyển động nhiệt hỗn loạn Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các iôn này sẽ chuyển động theo hai hướng ngược nhau: các ion dương chuyển động theo chiều điện trường, các ion âm chuyển động ngược chiều điện trường để tạo thành dòng điện

Do đó bản chất của dòng điện trong chất điện phân là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường

 Trong chất khí, ở trạng thái bình thường, chất khí hầu như chỉ gồm những nguyên tử

hay phân tử trung hòa về điện Khi có kích thích bên ngoài, các phân tử khí bị ion hóa , trong chất khí xuất hiện những hạt mang điện tự do: electron, ion âm và ion dương Dưới tác dụng của điện trường ngoài , các ion dương, ion âm và electron đều chuyển động có hướng tạo thành dòng điện

Do đó bản chất của dòng điện trong chất khí là dòng dịch chuyển có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm electron ngược chiều điện trường

1.1.4 Tác dụng của dòng điện

Tuy có bản chất khác nhau nhưng dòng điện bao giờ cũng có những tác dụng đặc trưng giống nhau như tác dụng hoá, tác dụng nhiệt, tác dụng từ…

 Tác dụng từ

Đây là dấu hiệu tổng quát và cơ bản nhất của dòng điện Biểu hiện tác dụng từ của dòng điện là bất kỳ dòng điện nào cũng gây ra từ trường trong khoảng không gian xung quanh nó

Có thể quan sát được tác dụng từ trong mọi trường hợp khác nhau của dòng điện, không phụ thuộc bản chất vật dẫn Dựa trên tác dụng này người ta chế tạo các thiết bị điện, các dụng cụ dùng điện như đồng hồ đo điện, nam châm điện, chuông điện

 Tác dụng hóa học

Khi dòng điện truyền qua dung dịch chất điện phân thì chất này bị phân tích, đó là tác dụng hóa học của dòng điện

Tác dụng hóa học của dòng điện là cơ sở của việc mạ điện như mạ vàng, mạ đồng,

mạ bạc để chống gỉ và làm đẹp Khi đó vật cần được mạ dùng làm cực âm, kim loại dùng

để mạ làm cực dương, còn chất điện phân là dung dịch muối của kim loại dùng để mạ

 Tác dụng nhiệt

Khi dòng điện truyền qua vật dẫn thì làm vật dẫn nóng lên và tỏa nhiệt ra xung quanh Đó là tác dụng nhiệt của dòng điện

Dựa trên tác dụng này, chế tạo ra các thiết bị dùng điện như bàn là, bếp điện, đèn điện

Ngoài ra, dòng điện còn có các tác dụng khác như tác dụng cơ học, tác dụng sinh lí Nếu để dòng điện đi qua cơ thể người thì dòng điện sẽ làm các cơ co giật, có thể làm tim ngừng đập, ngạt thở và thần kinh tê liệt Như vậy, dòng điện có thể gây nguy hiểm đến tính mạng của con người Do đó phải hết sức thận trọng khi sử dụng điện, đặc biệt là các mạng điện có điện áp lớn như mạng điện sinh hoạt Tuy nhiên, trong y học người ta sử dụng tác dụng sinh lí của dòng điện thích hợp để chữa một số bệnh

1.2 Mật độ dòng và cường độ dòng điện

Những đường mà dọc theo đó có các hạt điện tích chuyển động gọi là đường dòng Chiều của đường dòng được coi là chiều chuyển động của các điện tích dương Nhờ các đường dòng chúng ta có ngay khái niệm trực quan về chuyển động của các electron và ion tạo nên dòng điện

Nếu bên trong vật dẫn có dòng điện, chúng ta hãy tách ra một cách tưởng tượng một ống mà mặt bên của nó lập bởi những đường dòng, thì điện tích khi chuyển động sẽ không cắt mặt bên của ống, nghĩa là các điện tích trong trong ống không ra khỏi ống và các điện

tích ngoài ống cũng không vào trong ống Người ta gọi ống như vậy là ống dòng (Hình 2).

Mặt của vật dẫn kim loại đặt cô lập là một trong các ống dòng

Hình 2

Để đặc trưng định lượng dòng điện người ta dùng hai đại lượng cơ bản: mật độ dòng

và cường độ dòng điện

1.2.1 Mật độ dòng

Mật độ dòng bằng độ lớn điện tích chuyển qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với đường dòng trong một đơn vị thời gian

Hình 3

Bên trong vật dẫn ta tách ra một diện tích S bằng một đơn vị, đặt vuông góc với đường dòng, nghĩa là đặt vuông góc với vận tốc vr

của điện tích (Hình 3) Ta vẽ một hình hộp đáy S và cạnh bên bằng v Khi đó số điện tích qua S trong một đơn vị thời gian bằng số điện tích bên trong hình hộp Nếu n0 là mật độ các hạt điện tích (số hạt trong đơn vị thể tích) thì số hạt bên trong hình hộp là n0v, còn điện tích là n0ev, trong đó e là điện tích của một hạt (electron chẳng hạn) Vì thế, độ lớn của mật độ dòng i là

i n ev= 0 (1)

Trong công thức (1), n0 và e là các đại lượng vô hướng, còn vận tốc là đại lượng vectơ cho nên có thể đưa vào một vectơ mật độ dòng i cùng chiều với v, và được xác định như sau:

ir=n ev0 r (1a)

Vì vận tốc vr

đặc trưng cho chuyển động của các hạt điện tích ở điểm đã cho, nên vectơ mật độ dòng ir

xác định dòng điện ở điểm đã cho của vật dẫn

Nếu tách bên trong vật dẫn một diện tích dS vô cùng nhỏ vuông góc với vectơ mật

độ dòng i thì độ lớn của điện tích qua nó trong thời gian dt bằng:

dq i dS dt= Nếu diện tích dS không vuông góc với i thì trong biểu thức này ta thay thế i bằng thành phần mật độ dòng in vuông góc với dS:

dq i dS c= α dt i dS dt= trong đó αlà góc hợp bởi vectơ irvà pháp tuyến nr

của diện tích dS

1.2.2 Cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện I trong vật dẫn là một đại lượng vô hướng và được xác định bằng độ lớn điện tích qua tiết diện toàn phần vật dẫn trong đơn vị thời gian Nếu trong một khoảng thời gian vô cùng nhỏ dt có điện tích dq qua tiết diện ngang của vật dẫn thì cường

độ dòng điện là

I dq

dt

= (2) Biểu thức (2) cho ta giá trị tức thời của cường độ dòng điện

Nếu sau những khoảng thời gian dt bằng nhau có các điện tích khác nhau qua tiết

diện ngang của vật, nghĩa là dq const

dt ≠ thì ta có dòng điện biến thiên theo thời gian Dòng điện xoay chiều hình sin là trường hợp riêng của dòng điện biến thiên

1.3 Dòng điện không đổi