BÀI 10. NĂNG LƯỢNG CỦA DÒNG ĐIỆN VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN
Trang bìa
Trang bìa
Ảnh
BÀI 10. NĂNG LƯỢNG CỦA DÒNG ĐIỆN VÀ CÔNG SUẤT ĐIỆN
Mở đầu
Câu hỏi
Trên các thiết bị điện thường ghi các thông số kĩ thuật. Ví dụ, quạt điện có các thông số như hình 10.1. Khi các thiết bị điện hoạt động, năng lượng của dòng điện chuyển hoá thành các dạng năng lượng nào và sự chuyển hoá đó có liên quan như thế nào với số oát của các thiết bị điện?
- Khi các thiết bị hoạt động, năng lượng của dòng điện chuyển hóa thành các dạng năng lượng: nhiệt năng, cơ năng, …. - Sự chuyển hóa cho biết thiết bị đó đã tiêu thụ năng lượng điện và số oát của thiết bị điện cho biết lượng điện năng sử dụng trong một đơn vị thời gian.
Ảnh
1.Năng lượng của dòng điện
1.1.Năng lượng của dòng điện
Năng lượng của dòng điện là năng lượng mà dòng điện tiêu thụ hoặc cung cấp khi nó thực hiện công trong các thiết bị điện.
1.2.Câu hỏi 1
Nêu thêm một số ví dụ chứng tỏ dòng điện có năng lượng. Với mỗi ví dụ, cho biết năng lượng của dòng điện đã biến đổi thành dạng năng lượng nào.
- Một số ví dụ chứng tỏ dòng điện có năng lượng: + Dòng điện chạy qua bàn là làm bàn là nóng lên: năng lượng của dòng điện đã biến đổi thành nhiệt năng. + Dòng điện chạy qua bóng đèn sợi đốt làm bóng đèn sáng và nóng lên: năng lượng của dòng điện đã biến đổi thành quang năng và nhiệt năng.
1.3.Câu hỏi 2
Cho mạch điện gồm một điện trở R mắc với hai đầu nguồn điện có hiệu điện thế không đổi U. Tính năng lượng điện điện trở tiêu thụ trong thời gian t.
Năng lượng điện điện trở tiêu thụ trong thời gian t: W=U.l.t=
LATEX(I^2).R.t
1.4.Tìm hiểu thêm 1
Để tìm hiểu mối liên hệ giữa năng lượng của dòng điện với cường độ dòng điện, điện trở và thời gian, Joule thực hiện hai thí nghiệm được mô tả dưới đây. Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của năng lượng điện vào điện trở được mô tả ở sơ đồ hình 10.3. Dụng cụ thí nghiệm gồm: hai nhiệt lượng kế đựng hai lượng nước giống nhau, hai dây điện trở khác nhau nhúng trong nước được mắc nối tiếp với nguồn điện. Khi cho dòng điện chạy qua, hai điện trở sẽ nóng lên và toả nhiệt. Kết quả đo trong cùng khoảng thời gian cho thấy năng lượng nhiệt đo được tỉ lệ với điện trở. Từ đó, ông rút ra kết luận: Năng lượng điện tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn điện.
Ảnh
Ảnh
Em hãy tìm hiểu vì sao lại mắc hai điện trở nối tiếp khi tiến hành thí nghiệm ở hình 10.3. Việc khảo sát sự phụ thuộc năng lượng điện vào cường độ dòng điện được mô tả như sơ đồ hình 10.4. Giữ nguyên nhiệt lượng kế và điện trở, trong cùng khoảng thời gian, ứng với các giá trị dòng điện khác nhau, ông đo năng lượng nhiệt tỏa ra trên điện trở và cường độ dòng điện và kết quả cho thấy năng lượng nhiệt tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện. Từ thí nghiệm, ống rút ra kết luận: Năng lượng điện mà điện trở tiêu thụ tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện chạy qua.
Ảnh
Ảnh
Như vậy, bằng các thí nghiệm của mình, nhà bác học Joule đã chứng minh được rằng: Trong trường hợp toàn bộ năng lượng điện chuyển hóa thành năng lượng nhiệt, năng lượng của dòng điện trong một đoạn mạch có mối liên hệ với cường độ dòng điện, điện trở và thời gian dòng điện đi qua đoạn mạch đó. Độc lập với Joule, kết quả trên cũng được nhà vật lí người Nga Heinrich Lenz tìm ra bằng thực nghiệm. Mối liên hệ đó được thể hiện bằng định luật Joule – Lenz: Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện đi qua đoạn mạch đó
Q=LATEX(I^2).R.t
Ảnh
Từ định luật Joule – Lenz và định luật Ohm, các nhà bác học đã suy ra công thức tính năng lượng của dòng điện, công thức này đã được kiểm tra bằng thực nghiệm và nghiệm đúng trong các trường khác. Em hãy tìm hiểu vai trò của biến trở ở thí nghiệm hình 10.4.
- Mắc hai điện trở nối tiếp vì để chúng cùng một cường độ dòng điện chạy qua, khi có cùng dòng điện chạy qua, cùng thời gian thí nghiệm thì ta mới biết được mối liên hệ giữa điện trở và năng lượng điện. - Vai trò của biến trở: Biến trở trong mạch điện có thể được điều chỉnh để thay đổi cường độ dòng điện. Khi biến trở được điều chỉnh, cường độ dòng điện trong mạch cũng thay đổi theo. Nhờ đó tìm được mối liên hệ giữa cường độ dòng điện và năng lượng điện.
1.5.Tìm hiểu thêm 2
Để đo năng lượng điện tiêu thụ của gia đình, ta dùng đồng hồ đo năng lượng điện hay còn gọi là công tơ điện. Hãy ước tính năng lượng điện tiêu thụ của gia đình em trong một ngày. Làm thế nào để kiểm tra kết quả ước tính đó có phù hợp với thực tế hay không?
Để ước tính năng lượng điện tiêu thụ của gia đình trong một ngày, ta có thể thực hiện như sau: 1. Ghi lại số liệu từ công tơ điện: Ví dụ: Ghi lại số liệu từ công tơ điện từ buổi sáng khi chưa dùng điện và sau một khoảng thời gian khoảng một ngày. 2. Tính toán năng lượng tiêu thụ: - Sử dụng công thức: Năng lượng (kWh) = Công suất (kW) x Thời gian (giờ). - Xác định công suất dựa trên các thiết bị điện sử dụng trong gia đình và thời gian sử dụng của chúng.
Ảnh
3. Kiểm tra kết quả ước tính: - So sánh kết quả ước tính năng lượng điện tiêu thụ với số liệu thực tế từ công tơ điện sau một ngày. - Nếu kết quả gần nhau, thì phương pháp ước tính có thể được tin tưởng. 4. Kiểm tra thiết bị và ứng dụng: - Kiểm tra và xác định xem tất cả các thiết bị đã được tính toán trong công suất hay chưa. - Kiểm tra ứng dụng và các thiết bị đo đạc nếu có để đảm bảo chúng đang hoạt động chính xác. 5. Điều chỉnh nếu cần thiết: - Nếu có sự chênh lệch lớn, xem xét lại các công suất và thời gian sử dụng để điều chỉnh ước tính. Bằng cách này, gia đình có thể ước tính năng lượng điện tiêu thụ và kiểm tra kết quả đó so với số liệu thực tế từ công tơ điện để đảm bảo tính chính xác và phù hợp.
1.6.Tìm hiểu thêm 3
Từ định luật Joule Lenz và định luật Ohm, hãy chứng minh rằng năng lượng của dòng điện trong một đoạn mạch được tính bằng công thức W = UIt.
Từ định luật Joule Lenz:
Q=LATEX(I^2).R.t
Định luật Ohm:I=LATEX(U/R)⇒U=I.R
⇒Q=U.I.t Đây là trường hợp, toàn bộ năng lượng điện chuyển hóa thành năng lượng nhiệt cho nên W = Q = U.I.t
1.7.Luyện tập 1
Một học sinh mắc dây điện trở của nhiệt lượng kế với hai cực của nguồn điện như hình 10.5. Biết rằng, các giá trị hiển thị trên màn hình của nguồn điện là cường độ dòng điện chạy trong mạch và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn. Tính năng lượng của dòng điện trong 10 phút làm thí nghiệm.
Ảnh
Năng lượng của dòng điện trong 10 phút làm thí nghiệm là: W = U.I.t = 6 . 1,19 . 10 . 60 = 4 284 J
2.Công suất điện
2.1.Công suất điện
Công suất điện là đại lượng đo lường lượng công mà dòng điện thực hiện hoặc năng lượng mà dòng điện tiêu thụ trong một đơn vị thời gian.
2.1.Công thức
Công thức tính công suất: Công suất điện P được xác định bằng: P=U.I
Trong đó: P: Công suất điện U: Hiệu điện thế I: Cường độ dòng điện
2.3.Câu hỏi 3
Xét trường hợp đoạn mạch có điện trở R, hãy chứng tỏ rằng công suất điện của đoạn mạch đó có thể được tính theo công thức:
P=LATEX(I^2).R=LATEX((U^2)/R)
Công suất: P = U.I Theo định luật Ohm có:I=LATEX(U/R)
⇒ P=LATEX(I^2).R=LATEX((U^2)/R)
2.4.Câu hỏi 4
Trên một bóng đèn có ghi 12 V – 3 W. Để bóng đèn sáng bình thường thì cần đặt vào hai đầu bóng đèn một hiệu điện thế bằng bao nhiêu? Khi đó, trong một giây, bóng đèn tiêu thụ một năng lượng điện là bao nhiêu?
- Để bóng đèn sáng bình thường thì cần đặt vào hai đầu bóng đèn một hiệu điện thế 12 V đúng bằng hiệu điện thế định mức của bóng đèn. - Trong một giây, bóng đèn tiêu thụ một năng lượng điện là: W = U.I.t = P.t = 3.1 = 3J
2.5.Luyện tập 2
a. Hãy trả lời câu hỏi ở phần mở đầu. b. Nếu chiếc quạt ở hình 10.1 được cấp nguồn điện 5 V thì trong 30 phút, chiếc quạt đó sẽ tiêu thụ năng lượng điện bao nhiêu jun?
. - Khi các thiết bị hoạt động, năng lượng của dòng điện chuyển hóa thành các dạng năng lượng: nhiệt năng, cơ năng, hóa năng, …. - Sự chuyển hóa cho biết thiết bị đó đã tiêu thụ năng lượng điện và số oát của thiết bị điện cho biết lượng điện năng sử dụng trong một đơn vị thời gian. b. Vì quạt được cung cấp U = 5V nên nó sẽ hoạt động bình thường với công suất định mức 4 W Chiếc quạt tiêu thụ năng lượng điện là: W = U.I.t = P.t = 4.30.60 = 1200J
2.6.Vận dụng
Một hãng xe điện thử nghiệm hai loại xe đạp điện có công suất định mức khác nhau. Họ cho hai xe chạy trên cùng một quãng đường với công suất định mức. Nêu những dụng cụ em cần dùng và cách làm để biết xe nào tiêu thụ năng lượng điện nhiều hơn khi đi hết quãng đường thử nghiệm.
Những dụng cụ em cần dùng và cách làm để biết xe nào tiêu thụ năng lượng điện nhiều hơn khi đi hết quãng đường thử nghiệm: - Dụng cụ: hai loại xe điện thử nghiệm, đồng hồ thời gian, thước dây đo quãng đường. - Thực hiện thí nghiệm: + Bước 1: Đo quãng đường thử nghiệm, xác định rõ vạch xuất phát, vạch dừng lại. + Bước 2: Khi cả hai xe bắt đầu chạy trên quãng đường thử nghiệm bắt đầu bấm ON/OFF trên đồng hồ thời gian để bấm giờ.
Ảnh
+ Bước 3: Bấm ON/OFF dừng đồng hồ khi cả hai xe đi hết quãng đường thử nghiệm. + Bước 4: So sánh thời gian mà hai xe thực hiện để hoàn thành quãng đường. Xe nào mất thời gian ít hơn thì đi nhanh hơn tiêu thụ ít năng lượng hơn.
3.Dặn dò
Dặn dò
Ảnh
Dặn dò:
Các em nhớ đọc kĩ bài mới nhé!
Cảm ơn
Ảnh