Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
Câu hỏi mở đầu trang 95
Đề bài: Các thiết bị điện thông thường mà chúng ta dùng hằng ngày đều có các điện trở. Vậy điện trở đặc trưng cho tính chất nào của vật dẫn và tại sao một vật dẫn lại có điện trở?
Lời giải:
- Điện trở là đại lượng đặc trưng cho mức độ cản trở dòng điện của vật dẫn. Điện trở càng lớn thì sự cản trở dòng điện càng mạnh.
- Nguyên nhân vật dẫn có điện trở: trong dây dẫn kim loại, các ion dương dao động nhiệt xung quanh nút mạng tinh thể, cản trở chuyển động của các electron tự do. Sự cản trở này gây ra điện trở của vật dẫn.
I. Điện trở
Thí nghiệm trang 95
Đề bài: Mắc mạch điện như sơ đồ Hình 23.1, thay đổi hiệu điện thế của nguồn và ghi giá trị cường độ dòng điện qua hai vật dẫn (xem kết quả Bảng 23.2).
- Hãy nhận xét về tỉ số $\dfrac{U}{I}$ đối với từng vật dẫn.
- Đối với vật dẫn X và vật dẫn Y thì tỉ số $\dfrac{U}{I}$ có khác nhau không?
- Nếu đặt cùng một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn X và vật dẫn Y thì cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn nào có giá trị nhỏ hơn?
Lời giải:
Dựa vào Bảng 23.2, ta tính tỉ số $\dfrac{U}{I}$ cho từng điện trở $R_1$, $R_2$:
- Với $R_1$: $\dfrac{1{,}0}{0{,}43 \cdot 10^{-3}} \approx 2326$ Ω; $\dfrac{2{,}0}{0{,}86 \cdot 10^{-3}} \approx 2326$ Ω; … ⇒ $\dfrac{U}{I_1} \approx 2{,}3$ kΩ (không đổi).
- Với $R_2$: $\dfrac{1{,}0}{0{,}21 \cdot 10^{-3}} \approx 4762$ Ω; $\dfrac{2{,}0}{0{,}43 \cdot 10^{-3}} \approx 4651$ Ω; … ⇒ $\dfrac{U}{I_2} \approx 4{,}6$ kΩ (không đổi).
1. Đối với mỗi vật dẫn, tỉ số $\dfrac{U}{I}$ là một hằng số (không thay đổi khi U thay đổi).
2. Đối với hai vật dẫn khác nhau, tỉ số $\dfrac{U}{I}$ khác nhau ($\dfrac{U}{I_1} \approx 2{,}3$ kΩ ≠ $\dfrac{U}{I_2} \approx 4{,}6$ kΩ).
3. Theo công thức $I = \dfrac{U}{R}$: với cùng một U, vật dẫn nào có $\dfrac{U}{I}$ lớn hơn (tức điện trở lớn hơn) thì I qua nó nhỏ hơn.
→ Vì $\dfrac{U}{I_2} > \dfrac{U}{I_1}$ nên cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn $R_2$ (vật dẫn Y) nhỏ hơn so với vật dẫn $R_1$ (vật dẫn X).
Câu hỏi trang 97
Đề bài:
- Đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở có đặc điểm gì? Đặc điểm này nói lên điều gì về mối quan hệ giữa hiệu điện thế U và cường độ dòng điện I?
- Độ dốc của đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở liên quan đến điện trở như thế nào?
- Cho đường đặc trưng vôn – ampe của hai vật dẫn có điện trở $R_1$, $R_2$ như Hình 23.4. Vật dẫn nào có điện trở lớn hơn?
Lời giải:
1. Đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở là đường thẳng đi qua gốc toạ độ.
→ Điều này cho thấy: cường độ dòng điện I tỉ lệ thuận với hiệu điện thế U (U tăng bao nhiêu lần thì I tăng bấy nhiêu lần).
2. Theo công thức $I = \dfrac{1}{R} \cdot U$, độ dốc của đường đặc trưng là $k = \dfrac{1}{R}$.
→ Độ dốc của đường đặc trưng càng lớn thì điện trở R càng nhỏ (và ngược lại). Hay nói cách khác, độ dốc tỉ lệ nghịch với điện trở R.
3. Quan sát Hình 23.4: đường của $R_1$ dốc hơn đường của $R_2$.
Theo kết quả câu 2: độ dốc lớn hơn → điện trở nhỏ hơn → $R_1 < R_2$.
→ Vật dẫn có điện trở $R_2$ có điện trở lớn hơn.
III. Nguyên nhân gây ra điện trở và ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở
Câu hỏi trang 100 (điện trở nhiệt NTC)
Đề bài: Từ kết quả thí nghiệm, hãy rút ra nhận xét về sự phụ thuộc của điện trở nhiệt NTC vào nhiệt độ.
Lời giải:
Quan sát Bảng 23.4 và Hình 23.9, ta thấy:
- Khi nhiệt độ tăng từ 5°C đến 80°C, điện trở của điện trở nhiệt NTC giảm mạnh (từ khoảng 121 951 Ω xuống chỉ còn khoảng 4 808 Ω).
- Đồ thị Hình 23.9 cho thấy điện trở giảm theo nhiệt độ và đường giảm không phải đường thẳng (giảm nhanh ở nhiệt độ thấp, giảm chậm dần ở nhiệt độ cao).
→ Nhận xét: Điện trở của điện trở nhiệt NTC giảm khi nhiệt độ tăng (ngược với điện trở của kim loại — điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng).
Câu hỏi trang 100 (Hình 23.10)
Đề bài: Hai đồ thị trong Hình 23.10 a, b mô tả đường đặc trưng vôn – ampe của một dây kim loại ở hai nhiệt độ khác nhau $t_1$ và $t_2$.
a) Tính điện trở của dây kim loại ứng với mỗi nhiệt độ $t_1$ và $t_2$.
b) Dây kim loại ở đồ thị nào có nhiệt độ cao hơn?
Lời giải:
a) Tính điện trở ở mỗi nhiệt độ:
Áp dụng công thức $R = \dfrac{U}{I}$ tại một điểm bất kì trên đồ thị.
• Ở nhiệt độ $t_1$ (Hình 23.10a): chọn điểm U = 24 V, I = 0,48 A:
$$R_1 = \dfrac{U}{I} = \dfrac{24}{0{,}48} = 50 ; \Omega$$
• Ở nhiệt độ $t_2$ (Hình 23.10b): chọn điểm U = 12 V, I = 0,3 A:
$$R_2 = \dfrac{U}{I} = \dfrac{12}{0{,}3} = 40 ; \Omega$$
b) So sánh nhiệt độ:
Theo lí thuyết, điện trở của dây kim loại tăng khi nhiệt độ tăng.
Ta có $R_1 = 50$ Ω > $R_2 = 40$ Ω → nhiệt độ $t_1 > t_2$.
→ Dây kim loại ở đồ thị a) có nhiệt độ cao hơn.
Hoạt động trang 100
Đề bài:
- Vận dụng công thức $I = Snve$ để giải thích tại sao điện trở R của vật dẫn kim loại lại phụ thuộc vào chiều dài $l$, tiết diện S và điện trở suất $\rho$ của dây theo công thức $R = \dfrac{\rho l}{S}$.
- Đồ thị Hình 23.11 thể hiện đường đặc trưng vôn – ampe của hai linh kiện là dây tóc bóng đèn và dây kim loại. Xác định:a) Đường nào là của dây tóc bóng đèn, đường nào là của dây kim loại.
b) Hiệu điện thế mà tại đó dây tóc bóng đèn và dây kim loại có điện trở như nhau.
c) Điện trở ứng với hiệu điện thế xác định được ở câu b.
Lời giải:
Câu 1. Giải thích công thức $R = \dfrac{\rho l}{S}$:
Xét dây dẫn kim loại có chiều dài $l$, tiết diện S, mật độ electron tự do n, vận tốc trôi v.
Áp dụng định luật Ohm: $R = \dfrac{U}{I}$, kết hợp với $I = Snve$, ta có:
$$R = \dfrac{U}{Snve}$$
- Phụ thuộc vào tiết diện S: Khi S tăng, mẫu số tăng → R giảm (R tỉ lệ nghịch với S).
- Phụ thuộc vào chiều dài $l$: Khi $l$ tăng (cùng U), điện trường trong dây $E = \dfrac{U}{l}$ giảm, làm tốc độ trôi v của electron giảm → I giảm → R tăng (R tỉ lệ thuận với $l$).
- Phụ thuộc vào điện trở suất $\rho$: Đại lượng $\rho$ đặc trưng cho tính chất riêng của vật liệu (phụ thuộc vào mật độ n và mức độ cản trở các electron). Vật liệu khác nhau có $\rho$ khác nhau, dẫn đến R khác nhau.
→ Kết hợp các yếu tố trên: $R = \dfrac{\rho l}{S}$.
Câu 2. Phân tích Hình 23.11:
a) Xác định đường:
- Dây kim loại có điện trở không đổi theo U → đường đặc trưng là đường thẳng đi qua gốc toạ độ.
- Dây tóc bóng đèn có điện trở tăng khi U tăng (do nhiệt độ tăng) → đường đặc trưng là đường cong (cong xuống khi U lớn vì I tăng chậm dần).
→ Trong Hình 23.11: đường thẳng là của dây kim loại, đường cong là của dây tóc bóng đèn.
b) Hiệu điện thế mà 2 dây có điện trở như nhau:
Hai dây có cùng điện trở khi $R = \dfrac{U}{I}$ bằng nhau → tại cùng U thì I cũng bằng nhau → ứng với điểm cắt nhau của hai đường.
Đọc đồ thị Hình 23.11: hai đường cắt nhau tại $U \approx 4$ V (ứng với $I \approx 0{,}25$ A).
→ Hiệu điện thế đó là $U \approx 4$ V.
c) Điện trở ứng với hiệu điện thế đó:
$$R = \dfrac{U}{I} = \dfrac{4}{0{,}25} = 16 ; \Omega$$
Em có thể
Giải thích được nguyên nhân gây ra điện trở trong kim loại
Lời giải:
Trong kim loại:
- Các nguyên tử bị mất electron hoá trị, trở thành ion dương và liên kết với nhau tạo thành mạng tinh thể.
- Các ion dương dao động nhiệt xung quanh nút mạng. Nhiệt độ càng cao, các ion dao động càng mạnh.
- Khi có dòng điện, các electron tự do chuyển động có hướng dưới tác dụng của điện trường. Trong quá trình chuyển động, electron va chạm với các ion dương đang dao động và bị cản trở.
→ Sự cản trở chuyển động của các electron tự do bởi các ion dương dao động trong mạng tinh thể chính là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.
→ Vì vậy, khi nhiệt độ tăng, các ion dao động mạnh hơn → cản trở nhiều hơn → điện trở của kim loại tăng theo nhiệt độ.
Giải thích được tại sao sử dụng đèn LED lại tiết kiệm năng lượng điện hơn so với bóng đèn dây tóc
Lời giải:
- Bóng đèn dây tóc: dòng điện chạy qua dây tóc làm dây tóc nóng lên đến nhiệt độ rất cao và phát sáng. Phần lớn năng lượng điện chuyển thành nhiệt năng (toả ra môi trường), chỉ một phần nhỏ chuyển thành quang năng (ánh sáng nhìn thấy). Vì vậy hiệu suất phát sáng thấp, gây lãng phí điện năng.
- Đèn LED: dòng điện chạy qua linh kiện bán dẫn và năng lượng điện được chuyển trực tiếp thành quang năng (không qua giai đoạn nung nóng dây tóc). Năng lượng nhiệt hao phí rất ít, hầu hết điện năng được dùng để phát sáng.
→ Vì hiệu suất biến đổi điện năng thành quang năng của đèn LED cao hơn nhiều so với bóng đèn dây tóc nên đèn LED tiết kiệm năng lượng điện hơn. Với cùng một lượng điện tiêu thụ, đèn LED cho ánh sáng mạnh hơn (hoặc cùng độ sáng, đèn LED tiêu thụ ít điện hơn).
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn