PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN MỘT CHIỀU: ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT OHM TỔNG QUÁT doc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ********** Nhóm thực hiện: Nhóm 5, Lớp SP Lý 2B Nguyễn Tấn Phát K37.102.079 Cao Hoàng Sơn K37.102.090 Nguyễn Lê Đức Thịnh K37.102.107 Trần Văn Tiến K37.102.112 Bài tiểu luận Chuyên ngành: Điện học TP. HỒ CHÍ MINH Tháng 10/2012 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Trang 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ********** Nhóm thực hiện: Nhóm 5, Lớp SP Lý 2B Nguyễn Tấn Phát K37.102.079 Cao Hoàng Sơn K37.102.090 Nguyễn Lê Đức Thịnh K37.102.107 Trần Văn Tiến K37.102.112 PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN MỘT CHIỀU: ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT OHM TỔNG QUÁT Bài tiểu luận Chuyên ngành: Điện học GV Hƣớng dẫn Ths. Trƣơng Đình Toà GV. Hoàng Văn Hƣng TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 10/2012 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Trang 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 1. CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 1.1 Định luật Ohm tổng quát cho đoạn mạch có nguồn điện 5 1.1.1 Mở rộng định luật Ohm cho toàn mạch 5 1.1.2 Nguồn điện 5 1.1.3 Bộ nguồn 6 1.1.4 Các biểu thức định luật Ohm tổng quát 6 2. BÀI TẬP ÁP DỤNG 9 2.1 Dạng 1: Xác định chiều và tính các đại lƣợng điện 9 2.1.1 Bài tập 1 9 2.2 Dạng 2: Mạch cầu điện trở 10 2.2.1 Bài tập 1 10 2.2.2 Bài tập 2 12 2.3 Dạng 3: Biến trở và biện luận giá trị 13 2.3.1 Bài tập 1 13 2.4 Dạng 4: Các bài toán tổng hợp nhiều thiết bị điện 15 2.4.1 Những điểm cần lƣu ý 15 2.4.2 Bài tập 1 16 2.4.3 Bài tập 2 18 2.5 Dạng 5: Cách ghép bộ nguồn hoặc bộ đèn 20 2.5.1 Phƣơng pháp 20 2.5.2 Bài tập ví dụ 1 21 2.5.3 Bài tập ví dụ 2 21 KẾT LUẬN 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Trang 4 LỜI NÓI ĐẦU Cũng nhƣ tất cả các dạng bài tập khác nhau của phần Điện học, những bài toán về ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT OHM TỔNG QUÁT cũng muôn hình vạn trạng, đa dạng và phong phú với những mức độ từ thấp đến cao. Tuy không đòi hỏi nhiều về những kiến thức vật lý chuyên sâu, nhƣng việc hiểu nguyên lý, cấu tạo một mạch điện có dòng điện không đổi để vận dụng không phải là một việc dễ dàng. Nó chiếm một khối lƣợng lớn kiến thức trong chƣơng trình vật lý lớp 11 ở các trƣờng phổ thông trung học hiện nay, và là nền tảng để các em học sinh cũng nhƣ các bạn sinh viên nghiên cứu những phần khác của Điện và Từ. Với những lý do đó, nhóm sinh viên của lớp Sƣ phạm lý 2B đã tiến hành thu thập tài liệu và biên soạn bài seminar “PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU : ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT OHM TỔNG QUÁT” để có cái nhìn khái quát và rõ ràng hơn về dạng toán này. Bài tiểu luận này đƣợc chia làm 2 phần : Phần 1 : Cơ sở lý thuyết Phần 2: Các dạng bài tập phổ biến và ví dụ. Phƣơng pháp làm bài cũng nhƣ những lƣu ý đƣợc ghi trong đây ngoài việc đúc kết từ những nguồn tài liệu quý báu của các thầy cô và sinh viên khác, còn là những kinh nghiệm của bản thân nhóm chắt lọc và tóm gọn lại. Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Văn Hƣng, thầy Trƣơng Đình Tòa cũng nhƣ Ban quản lý thƣ viện trƣờng đã hƣớng dẫn và giúp đỡ nhóm trong việc tìm kiếm tƣ liệu cũng nhƣ cung cấp những tri thức cần thiết cho bài tiểu luận này. Nhƣng vì trình độ chuyên môn còn hạn chế nên chắc chắn bài tiểu luận này sẽ còn nhiều thiếu sót cần chỉnh sửa và bổ sung. Rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để nhóm có thể hoàn thiện hơn. Nhóm thực hiện Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Trang 5 1. CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 ĐỊNH LUẬT OHM TỔNG QUÁT CHO ĐOẠN MẠCH CÓ NGUỒN ĐIỆN 1.1.1 Mở rộng định luật Ohm cho toàn mạch Trong phần định luật Ohm cho toàn mạch, ta đã xét mạch kín nhƣ hình 2 và đã có: U AB = RI AB , khi xét mạch ngoài AB . U AB = E - Ir, khi xét đoạn mạch trong có nguồn điện. Ta sẽ mở rộng đẳng thức thứ hai này khi xét một đoạn mạch tổng quát bất kì, trên đó ngoài các điện trở thuần còn có các nguồn điện với các chiều mắc tùy ý. 1.1.2 Nguồn điện 1.1.2.1 Các nguồn phát điện Nhƣ trong ví dụ ở hình 2, dòng điên I đi từ cực dƣơng của nguồn đi ra, hay nói khác đi dòng điện đi qua nguồn từ cực âm sang cực dƣơng. Nguồn điện ( E , r ) trong trƣờng hợp này cung cấp điện cho toàn mạch. Ở mạch ngoài dòng điện có thể làm bóng đèn sáng, chạy động cơ điện,… Điện năng dự trữ trong nguồn sẽ chuyển hóa dần thành nhiệt năng, cơ năng, hóa năng… Ta nhắc lại rằng ở các nguồn phát điện, dòng điện đi ra từ cực dƣơng của nguồn điện. 1.1.2.2 Các nguồn thu điện Xét mạch điện nạp cho acquy nhƣ hình 3. Một nguồn điện mạch E phát dòng điện I ra mạch ngoài. Mạch ngoài gồm có một acquy e’và một biến trở R bt để điều chỉnh dòng nạp điện. Hay nói cách khác thì dòng nạp điện đi từ cực dƣơng acquy qua cực âm. Nếu viết biểu thức của dòng điện I trong mạch nạp acquy nói trên. Ta có: E, r R I I B A Hình 2 I E, r R bt I I B A e’ Hình 3 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Trang 6 Trƣớc suất điện động acquy e’ có dấu trừ. Suất điện động nguồn nạp E bị giảm bớt một lƣợng bằng e’ . Do đó ta gọi e’ trong trƣờng hợp này là suất phản điện. Công của dòng điện I ngoài phần gây tỏa nhiệt trên r’còn có phần chuyển thành hóa năng dự trữ trong acquy. 1.1.3 Bộ nguồn Nếu bộ nguồn gồm n nguồn giống nhau mắc nối tiếp thì E bộ = nE ; r bộ = nr Nếu bộ nguồn gồm m nguồn giống nhau mắc song song thì E bộ = E ; r bộ = Nếu bộ nguồn gồm m nhánh song song, mỗi nhánh có n nguồn nối tiếp thì E bộ = nE ; r bộ = 1.1.4 Các biểu thức định luật Ohm tổng quát 1.1.4.1 Nhắc lại công thức U AB = E – Ir Ở đoạn mạch bên trong nguồn đó dòng điện I viết đầy đủ chính là I BA mà I AB = -I BA : U AB = E – rI BA = E + rI AB = I AB R AB + E (5) Với R AB là điện trở tƣơng đƣơng của cả đoạn mạch. Số hạng đầu ở vế phải của công thức trên ta đã gặp ở định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ chứa điện trở thuần R AB . Sự khác biệt và là điều mới mẻ ở đây chính là sự xuất hiện của số hạng thứ hai E . Điều này tƣơng ứng với sự có mặt của nguồn điện suất điện động E trong đoạn mạch trên. Điều này gợi ý cho chúng ta tổng quát hóa biểu thức của định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ chứa điện trở thuần thành biểu thức của định luật Ohm cho đoạn mạch có nguồn điện. Chú ý rằng cực (+) nguồn điện ở phía đầu A. E, r R I B A Hình 4 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Trang 7 1.1.4.2 Công thức hiệu điện thế Xét đoạn mạch tổng quát AB nhƣ hình 5: Gọi R AB là điện trở tƣơng đƣơng của cả đoạn mạch. Chọn chiều khảo sát từ A đến B. Ta luôn viết đƣợc biểu thức hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch theo dòng điện chạy trong đoạn mạch: U AB = R AB I AB + e 1 – e 2 = R AB I AB ± e (6) Hay nói cách khác dấu nằm trƣớc e 1 , e 2 phụ thuộc vào việc ta gặp bản dƣơng hay bản âm của nó đầu tiên khi đi theo chiều khảo sát ( trong hình là từ trái sang phải). 1.1.4.3 Công thức cường độ dòng điện Từ công thức hiệu điện thế ta rút ra cƣờng độ dòng điện tính theo hiệu điện thế (hình 5): 12AB AB AB AB AB U e e U e I RR (7) Ta gọi công thức (2.3), (2.4) là công thức của định luật Ohm tổng quát bởi vì: Nếu không có các nguồn điện e 1 , e 2 ….thì ta có công thức: U AB = I AB R AB của định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ chứa các điện trở thuần quen thuộc. Nếu cho U AB = 0 tức là chập hai đầu A và B của đoạn mạch ta có các công thức: E = I(R+r) của định luật Ohm cho mạch kín. Đặc biệt hóa công thức (6) ta có lại công thức (5) áp dụng trong mạch kín. 1.1.4.4 Các bước giải chung nhất cho một bài tập áp dụng định luật Ohm tổng quát 1. Nếu mạch điện cho phức tạp hoặc không cho hình vẽ thì phải vẽ sơ đồ lý thuyết theo các nguyên tắc : Đảm bảo chiều dòng điện không thay đổi so với dữ kiện ban đầu (nếu có). Chú ý các thiết bị của mạch nhƣ khóa K, tụ điện, ampe kế, vôn kế, biến trở, dây dẫn nối tắt,… có khả năng thay đổi chiều dòng điện. Xác định cấu tạo, vị trí cách thành phần của mạch (song song, nối tiếp,…) một cách chính xác và dễ nhìn bằng cách đồng nhất các điểm có cùng điện thế và dựa vào chiều dòng điện. Chiều khảo sát e 2 , r 2 e 1 , r 1 R B A Hình 5 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Trang 8 2. Xác định những đại lƣợng cần tính toán,dùng công thức viết tất cả các phƣơng trình liên quan tới ẩn số cần tìm, chú ý trong việc sử dụng định luật Ohm nếu khôn khéo chọn đoạn mạch hợp lý sẽ tìm tới đáp số nhanh hơn. Cẩn thận việc xét dƣ những phƣơng trình tƣơng đƣơng với nhau nhƣng dƣới hình thức khác nhau có thể làm rối rắm bài toán. 3. Trong một số trƣờng hợp, phải dựa vào tính chất của các thành phần trong mạch điện( tụ điện, biến trở, đèn,…) để suy ra thêm dữ kiện bài toán. 4. Hạn chế thay số trực tiếp vào từng phép tính mà để ở dạng chữ để dễ dàng trong việc kiểm tra sai sót. 5. Sau khi ra đƣợc kết quả, đánh giá số liệu để dự đoán đƣợc độ chính xác ( ví dụ nhƣ điện trở quá lớn, cƣờng độ dòng điện đoạn mạch lớn hơn cƣờng độ mạch chính,v.v ) và dò lại cẩn thận. 1.1.4.5 Những lưu ý khi áp dụng định luật Ohm tổng quát Khi vận dụng công thức định luật Ohm tổng quát ta cần lƣu ý rằng công thức đó chỉ áp dụng cho đoạn mạch mà trên suốt đoạn mạch đó dòng điện chỉ có cùng một giá trị I ở mọi điểm và nếu chƣa biết chiều dòng điện thì ta tùy ý chọn chiều dòng điện cho đoạn mạch. Giữa hai điểm ngoài cùng của đoạn mạch, điểm A và điểm B chẳng hạn, ta tùy ý chọn chiều đƣờng đi. Nếu đi trên đoạn mạch đó từ A đến B thì khi đó đã chọn chiều dòng điện nếu cần thiết và chọn chiều đƣờng đi trên đoạn mạch thì ta thực hiện các bƣớc và các quy ƣớc sau đây: Lấy điện thế điểm đầu trừ điện thế điểm cuối đƣờng đi. Suất điện động nhận dấu dƣơng nếu ta đi qua nguồn từ cực dƣơng sang cực âm của nguồn và ngƣợc lại. Dòng điện I nhận dấu dƣơng nếu nó hƣớng theo chiều đƣờng đi của chiều khảo sát. Nếu kết quả tính toán cho ta giá trị âm của cƣờng độ dòng điện thì chiều thực của dòng điện trên đoạn mạch ngƣợc với chiều dòng điện giả định ở trên. Và trong thực tế đối với dạng bài tập về dòng điện không đổi thì có rất nhiều phƣơng pháp để giải và ứng với mỗi phƣơng pháp thì sẽ không tránh khỏi những hạn chế nhất định. Vì thế để đạt hiệu quả cao và dễ dàng tính toán hơn ta nên kết hợp cùng một lúc nhiều phƣơng pháp nếu có thể để bài toán đƣợc giải quyết dễ dàng hơn. Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Trang 9 2. BÀI TẬP ÁP DỤNG 2.1 DẠNG 1: XÁC ĐỊNH CHIỀU VÀ TÍNH CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN 2.1.1 Bài tập 1 Cho mạch điện nhƣ hình vẽ với E 1 = 6V, E 2 = 12V, E 3 = 9V, r 1 =r 2 =r 3 =1Ω, R=3Ω, R V rất lớn , R A = 0 Tìm chỉ số ampe kế, vôn kế. Lời giải cụ thể Giả sử chiều dòng điện trong mạch có chiều nhƣ hình (sao cho > ) E 3 , r 3 E 2 , r 2 V A B R A E 1 , r 1 E 3 , r 3 E 2 , r 2 A B R E 1 , r 1 I Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Trang 10 Cƣờng độ dòng diện mạch chính. I = = = 0,5A I>0 => chiều dòng điện trong mạch đã chọn đúng. E 1 ,E 3 : máy phát , E 2 : máy thu.  Số chỉ ampe kế : I A = I = 0,5 A Số chỉ vôn kế : Cách 1 : Xét đoạn mạch AE 2 E 3 B, chiều khảo sát từ A->E 2 ->E 3 ->B Ta có : U AB = E 2 - E 3 + (r 2 +r 3 )I  U AB =4V=> U V =U AB =4V, vôn kế có cực dƣơng A, cực âm ≡B Cách 2 : Xét đoạn mạch A E1 B, chiều khảo sát từ A->E1->B U AB = E 1 - I(R+r)  U AB = 4V = U V Nhận xét: Khi giả sử chiều dòng điện, ta nên chọn chiều sao cho có số máy phát nhiều hơn số máy thu. Việc áp dụng định luật ohm để tính hiệu điện thế 2 đầu có thể xét theo nhiều cách khác nhau, ta nên chọn chiều khảo sát sao cho đoạn mạch đó càng đơn giản càng tốt hoặc chứa những giá trị ta đã biết. 2.2 DẠNG 2: MẠCH CẦU ĐIỆN TRỞ 2.2.1 Bài tập 1 Cho mạch điện nhƣ hình vẽ: U AB = 6V; R 1 = 1Ω; R 2 = 0,4 Ω; R 3 = 2 Ω; R 4 = 6 Ω; R 5 = 1 Ω. Tính cƣờng độ dòng điện qua mỗi điện trở và điện trở tƣơng đƣơng toàn mạch. Nhận xét: Đối với bài tập dạng này, ta có thể giải bằng cách biến đổi bộ ba điện trở R 1 , R 3 , R 5 (hoặc R 2 , R 4 , R 5 ) về dạng chữ Y để trở thành mạch điện đơn giản. D C B A R 1 R 2 R 4 R 3 R 5 [...].. .Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Hoặc ta cũng có thể dùng phƣơng pháp Kirchoff cho dạng bài tập này Nhìn chung với hai cách giải trên ta sẽ giải đƣợc áp số bài toán dễ dàng Tuy nhiên các số liệu tính toán liên quan lại khá cồng kềnh, đặc biệt trƣờng hợp nếu có một điện trở chƣa có giá trị cho trƣớc Chính vì vậy, ta nên sử dụng một phƣơng pháp khác đơn... Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát KẾT LUẬN Nhƣ vậy nhóm đã giới thiệu xong một số dạng toán cơ bản áp dụng định luật Ohm cho dòng điện không đổi Nhìn chung mấu chốt cơ bản để giải bài là xác định đƣợc cấu tạo mạch và chiều dòng điện, đồng thời phải cực kì cẩn thận vì các phép toán thƣờng khá cồng kềnh và phức tạp Có thể tóm tắt những ƣu khuyết điểm của phƣơng pháp. .. (dòng điện không đi qua) Trang 15 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Dòng điện sẽ không đi qua đoạn mạch có chứa tụ điện, trừ khi tụ điện bị thủng ( hiện tƣợng phóng điện) , tuy nhiên điện tích 2 đầu bản tụ có thể thay đổi tùy thuộc vào hiệu điện thế 2 đầu bản tụ Nếu đề bài hay hình vẽ không cho dấu của 2 bản tụ thì ta có thể xác định dựa vào điện thế (hoặc hiệu điện. .. Ω; R4 = 10 Ω; R5 = 3 Ω R2 C R5 A B Tính cƣờng độ dòng điện qua mỗi điện trở R3 Lời giải cụ thề D R4 Áp dụng phƣơng pháp giải tƣơng tự bài tập 1 với các số liệu bài toán đã cho ta thu đƣợc kết quả: VC = VD = 4V Suy ra UCD = 0 Vậy không có dòng qua R5 I5 = 0 Từ đó suy ra Trang 12 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát I1 VA VC R1 6 4 1( A); I 2 2 I3 VA VD R3 6 4 5 VC... R4 Trang 16 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát E,r R3 C1 R4 - + A K + C2 - R1 M R2 Lời giải cụ thể a Cấu tạo mạch : R1 nt R2 nt R3, C1 nt C2 Rtđ= R1+ R2+ R3= 3+2+0.5=5,5 Ω Áp dụng định luật Ohm cho toàn mạch : Ich= = 1A Từ đó ta tính đƣợc hiệu điện thế mạch chính và 2 đầu các điện trở UAB=Ich.Rtđ=5,5V U1=Ich.R1=3V U2=Ich.R2=2V U3=Ich.R3=0,5V Ta tính điện dung tƣơng... phƣơng pháp điện thế nút Phƣơng pháp: Chọn gốc điện thế tại một điểm bất kì trong mạch (thƣờng chọn một điểm mang tính tổng quát và có liên quan đến nhiều điện trở) Giả sử chiều dòng điện trong mạch Áp dụng định luật nút kết hợp định luật Ohm để đƣa bài toán về giải hệ hai phƣơng trình bậc nhất với hai ẩn số là điện thế tại hai nút chƣa biết Từ đó suy ra đƣợc các thông số cần tính theo yêu cầu đề bài. .. bình thƣờng Hãy tìm các cách mắc nguồn ? Lời giải cụ thể Bộ nguồn đƣợc mắc thành m dãy song song giống nhau , mỗi dãy n nguồn nối tiếp Số nguồn N = m n (1);nên Trang 21 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát nr m ne 1,5n(V ); rb Đèn sáng bình thƣờng nên U N U dm 36(V ); I 1, 2n (2) m I dm Pdm U dm 1( A)(3) Áp dụng định luật Ohm : b 1.1,2n m = UN +Irb 1,5n 36 1,5n.m... phƣơng pháp với nhau Việc áp dụng định luật Ohm cũng tƣơng tự nhƣ vậy, bên cạnh đó cần phải biết khéo léo khi xét đoạn mạch cũng nhƣ vẽ lại sơ đồ và chọn những điểm mốc thích hợp để tính toán đƣợc dễ dàng và thuận tiện hơn Nắm vững cách giải phƣơng trình, hệ phƣơng trình, bất đẳng thức cũng nhƣ khảo sát hàm số cũng là một điều quan trọng Trang 23 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật. .. pháp áp dụng định luật Ohm tổng quát nhƣ sau : Ƣu điểm: Là phƣơng pháp đơn giản và cơ bản nhất khi giải bài toán điện một chiều, hầu nhƣ tất cả các bài toán đều sử dụng Có thể tìm đƣợc mối liên hệ giữa tất cả cái đại lƣợng, thành phần quan trọng cần khảo sát Dựa vào công thức ta có thể hiểu đƣợc nguyên lý và cơ chế hoạt động của mạch điện đó Là tiền đề để chứng minh các định luật khác, các phƣơng pháp. .. R30-x) Từ các công thức tính điện trở tƣơng đƣơng, ta tìm đƣợc Rtđ = R1x + R2(30-x) = Ich = I1 = = + = ; UAC = U1x =I ch.R1x = : cƣờng độ dòng điện qua ampe kế 1 Tƣơng tự : I2 = = : cƣờng độ dòng điện qua ampe kế 2 Trang 19 Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát U2(30-x) = UCB = Ich.R2(30-x) = IR2 = : cƣờng độ của dòng điện qua nhánh chứa điện trở R2 = Xét tại nút C . Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát Trang 5 1. CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 ĐỊNH LUẬT OHM TỔNG QUÁT. cùng một lúc nhiều phƣơng pháp nếu có thể để bài toán đƣợc giải quyết dễ dàng hơn. Phương pháp giải bài tập điện một chiều: Áp dụng định luật Ohm tổng quát