CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT ÔM ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN VỀ MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU

Không những thế mà nó đặc biệt quan trọng đối với một số nghành kĩ thuật: điện tử, luyện kim, mạ đúc điện… Đặc biệt là ở bậc đại học việc học tốt phần giải các bài toán về mạch điện khôn

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Cơ sở nghiên cứu 1

3 Mục đích của đề tài 1

4 Nhiệm vụ của đề tài 2

5 Đối tượng nghiên cứu 2

6 Phạm vi nghiên cứu 2

7 Giả thuyết khoa học 2

8 Phương pháp nghiên cứu 2

9 Cấu trúc của đề tài 2

10 Kế hoạch nghiên cứu 3

PHẦN 2: NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1: TÓM TẮT LÝ THUYẾT 4

1 Dòng điện Các tác dụng của dòng điện 4

2 Cường độ dòng điện Hiệu điện thế 4

3 Nguồn điện 5

4 Điện trở 5

5 Điện năng và công suất điện Định luật Jun – lenxơ 6

6 Định luật Ôm 6

7 Định luật bảo toàn dòng điện ( Định luật nút ) 6

CHƯƠNG 2: BÀI TẬP VỀ CÁC DẠNG CỦA ĐỊNH LUẬT ÔM ĐỐI VỚI CÁC LOẠI MẠCH ĐIỆN 7

2.1 Định luật Ôm đối với đoạn mạch 7

2.1.1 Phương pháp giải 7

2.1.2 Bài tập mẫu 7

2.1.3 Bài tập luyện tập 13

2.2 Đoạn mạch chứa nguồn điện 16

2.2.1 Phương pháp giải 16

2.2.2 Bài tập mẫu 17

2.2.3 Bài tập luyện tập 23

2.3 Ghép nguồn điện thành bộ 25

2.3.1 Phương pháp giải 25

2.3.2 Bài tập mẫu 26

2.3.3 Bài tập luyện tập 31

2.4 Đoạn mạch chứa máy thu điện 34

2.4.1 Phương pháp giải 34

2.4.2 Bài tập mẫu 35

2.4.3 Bài tập luyện tập 40

2.5 Đoạn mạch chứa tụ điện 42

2.5.1 Phương pháp giải 42

2.5.2 Bài tập mẫu 43

2.5.3 Bài tập luyện tập 48

2.6 Mạch cầu điện trở 51

2.6.1 Phương pháp giải 51

2.6.2 Bài tập mẫu 52

2.6.3 Bài tập luyện tập 57

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM VỀ MẠCH ĐIỆN 60

A ĐỀ BÀI 60

B ĐÁP ÁN 63

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

I Kết luận 64

II Kiến nghị 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Dòng điện không đổi – Mạch điện một chiều là một phần không thể thiếu trong chương trình học tập môn vật lý ở bậc trung học cơ sở lớp 9, trung học phổ thông lớp 11 và cả bậc đại học Không những thế mà nó đặc biệt quan trọng đối với một số nghành kĩ thuật: điện tử, luyện kim, mạ đúc điện…

Đặc biệt là ở bậc đại học việc học tốt phần giải các bài toán về mạch điện không chỉ giúp sinh viên đạt được những mục tiêu nhất định về kết quả học tập

mà nó còn giúp ích rất nhiều trong công việc giảng dạy sau này của sinh viên các trường sư phạm

Có rất nhiều phương pháp giải các bài toán về mạch điện một chiều nhưng trong số các phương pháp đó thì phương pháp sử dụng định luật ôm là phổ biến nhất Tuy vậy, còn không ít sinh viên gặp khó khăn, lúng túng trong việc áp dụng lý thuyết, công thức của định luật Ôm vào việc giải các bài toán về mạch điện một chiều

Trên đây là những lý do mà tôi mạnh dạn triển khai đề tài: “Áp dụng

định luật Ôm để giải bài toán về mạch điện một chiều ”

2 Cơ sở nghiên cứu

- Cơ sở lí luận:

Dựa vào lí luận dạy học về bài tập vật lý, vào vị trí, vai trò của các dạng bài tập và phương pháp giải các bài tập để sưu tầm, tìm hiểu, lựa chọn các bài tập cơ bản, từ đó phân thành từng dạng bài tập cụ thể và tìm phương án giải

- Cơ sở thực tiễn:

Một bài toán về dòng điện không đổi, mạch điện một chiều có thể có nhiều phương pháp giải nhưng thực tiễn cho thấy còn không ít sinh viên còn gặp nhiều khó khăn trong việc áp dụng lý thuyết vào để giải các bài tập hoặc chưa biết áp dụng triệt để các định lý, định luật để việc giải bài toán trở nên

dễ dàng và ngắn gọn hơn

3 Mục đích của đề tài

- Xây dựng hệ thống bài tập về mạch điện một chiều được giải bằng

phương pháp áp dụng định luật Ôm

- Cung cấp thêm kiến thức, tài liệu về việc giải các bài toán về phần dòng điện một chiều đặc biệt là phần dòng điện không đổi cho học sinh, sinh viên

trong các trương sư phạm và có thể làm tài liệu tham khảo cho giáo viên vật lý ở các trường trung học phổ thông trong quá trình giảng dạy

- Giúp mở rộng kiến thức bản thân

4 Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu kĩ kiến thức về phần dòng điện không đổi; mạch điện một chiều, định luật ôm làm nền tảng xây dựng hệ thống bài tập cho từng dạng cụ thể

- Hệ thống các dạng bài tập phần mạch điện một chiều, có lưu ý cho từng dạng

5 Đối tượng nghiên cứu

Lý thuyết và bài tập về mạch điện một chiều thuộc phần dòng điện không đổi

6 Phạm vi nghiên cứu

Các mạch điện một chiều phần dòng điện không đổi trong chương trình vật

lý phổ thông

7 Giả thuyết khoa học

Nếu áp dụng công thức định luật ôm phù hợp với từng mạch điện thì việc giải bài tập về mạch điện sẽ trở nên đơn giản, ngắn gọn và dễ hiểu Từ đó giúp cho việc học tập trở nên nhẹ nhàng và đạt hiệu quả cao hơn Tạo tiền đề vững chắc cho công việc giảng dạy sau này của các sinh viên sư phạm

8 Phương pháp nghiên cứu

- Sưu tầm tài liệu

- Nghiên cứu kỹ lý thuyết và từ đó đưa ra phương pháp giải cho từng dạng bài tập cụ thể về mạch điện

9 Cấu trúc của đề tài

- Phần 1: Mở đầu

- Phần 2: Nội dung

+ Chương 1: Tóm tắt lý thuyết

+ Chương 2: Bài tập về các dạng của định luật Ôm

+ Chương 3: Một số bài tập trắc nghiệm về mạch điện

- Phần 3: Kết luận và kiến nghị

10 Kế hoạch nghiên cứu

- Từ tháng 10/2013 đến giữa tháng 11/2013: Sưu tầm tài liệu, nghiên cứu lý thuyết, lí luận viết đề cương

- Từ giữa tháng 11/2013 đến tháng 1/2014: Hoàn thành đề cương chi tiết, nghiên cứu tài liệu, phân loại các bài tập theo dạng và đưa ra cách giải cùng các bài tập có hướng dẫn và bài tập có đáp số

- Từ tháng 2/2014 đến giữa tháng 3/2014: Viết đề tài, xin ý kiến tham khảo

- Từ giữa tháng 3/2014 đến hết tháng 4/2014: Chỉnh sửa, hoàn thiện đề tài

- Tháng 5/2014: Bảo vệ đề tài

PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Dòng điện Các tác dụng của dòng điện

- Dòng điện là dòng các điện tích dịch chuyển có hướng dưới tác dụng của điện trường.Chiều quy ước của dòng điện là chiều dịch chuyển có hướng của các điện tích dương

- Dòng điện không đổi là dòng điện có chiều và cường độ không đổi theo thời gian

- Điều kiện để có dòng điện:

+ Có hạt mang điện tự do

+ Có điện trường  giữa hai đầu vật dẫn phải có một hiệu điện thế

- Dòng điện có thể gây ra các tác dụng nhiệt, tác dụng hóa học, tác dụng từ, tác dụng sinh lý Trong đó tác dụng từ là tác dụng đặc trưng của dòng điện

2 Cường độ dòng điện Hiệu điện thế

- Cường độ dòng điện đặc trưng cho tác dụng mạnh yếu của dòng điện.Đối với dòng điện không đổi cường độ dòng điện được xác định bằng thương số giữa điện lượng q dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian t và khoảng thời gian t đó:

qIt

Điện áp tại điểm A gọi là V A

Điện áp tại điểm B gọi là VB

=>Chênh lệch điện áp giữa hai điểm A và B chính là hiệu điện thế:

Đơn vị của hiệu điện thế là Vôn, kí hiệu là V

Ngoài ra: 1kilôvôn (kV) 10 V3

- Suất điện động của nguồn điện đặc trưng khả năng thực hiện công của nó

và được đo bằng công của lực lạ khi di chuyển 1 đơn vị điện tích dương ngược chiều điện trường bên trong nguồn điện:

Aq



EĐơn vị của suất điện động là Vôn (V)

- Nguồn điện hoá học: pin, ácquy

5 Điện năng và công suất điện Định luật Jun – lenxơ

- Công và công suất của dòng điện ở đoạn mạch:

AUIt; PUI

- Định luật Jun - Len xơ: Nhiệt lượng toả ra ở một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn, với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn đó: 2

QRI t

- Công và công suất của nguồn điện: AE ; PIt E I

- Công suất của dụng cụ tiêu thụ điện:

Với dụng cụ toả nhiệt:

Với máy thu điện: PEIrI2

( P'E là phần công suất mà máy thu điện chuyển hoá thành dạng năng Ilượng có ích, không phải là nhiệt.)

- Đơn vị của công và nhiệt lượng là Jun (J)

Đơn vị của công suất là Oát (W)

6 Định luật Ôm

 Định luật Ôm đối với đoạn mạch:

UIR



 Định luật Ôm cho toàn mạch: Cường độ dòng điện chạy trong mạch kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch đó:

7 Định luật bảo toàn dòng điện ( Định luật nút )

- Tổng các cường độ dòng điện đi tới một nút bằng tổng các cường độ dòng điện đi khỏi nút đó

CHƯƠNG 2: BÀI TẬP VỀ CÁC DẠNG CỦA ĐỊNH LUẬT ÔM ĐỐI

VỚI CÁC LOẠI MẠCH ĐIỆN

2.1 Định luật Ôm đối với đoạn mạch

2.1.1 Phương pháp giải

Áp dụng công thức của định luật Ôm đối với đoạn mạch:

UIR



Trường hợp ngoài điện trở, trong mạch còn có các dụng cụ đo (Vôn kế và ampe kế) thì căn cứ vào dữ kiện cho trong đề để biết đó có phải là dụng cụ lý tưởng.(Nghĩa là vôn kế có Rv  , còn ampe kế có RA 0) hay không

nhỏ nên ta coi như các điểm A và N;

B và M được nối với nhau bằng các

dây dẫn (VN V ;VA M VB)

Ba điện trở R ,R ,R1 2 3 được

mắc song song vì có hai đầu chung

là A và B Mạch điện và chiều dòng

điện được vẽ như hình bên

Cường độ dòng điện qua các điện trở:

Bài 3: Mắc mạch điện theo sơ đồ hình vẽ; Hai vôn kế giống nhau có điện trở

b) Trong trường hợp vôn kế V chỉ giá trị U

không đổi Hỏi vôn kế V có thể chỉ giá trị 1

lớn nhất và nhỏ nhất là bao nhiêu? Trong điều kiện nào?

V

UI

Áp dụng số: n 8 2

126

318

 RV 2R Vậy:

V

R2

+ U1min khi n0 RV 0 U1min 0

Bài 4: Bốn điện trở R ,R ,R ,R1 2 3 4 R1R2 R3 3R4  3 được mắc vào đoạn mạch AB có sơ đồ như hình vẽ

Đặt vào hai đầu của đoạn mạch một

b) Tháo vôn kế đi và nối D với B bằng một ampe kế có điện trở rất nhỏ

Tính hiệu điện thế trên các điện trở Tìm số chỉ của ampe kế vàchiều của dòng điện qua ampe kế

Giải

a) Do vôn kế có điện trở rất lớn nên dòng điện đi qua vôn kế coi như không đáng

kể và các điện trở trong mạch mắc theo sơ đồ sau:

Chiều dòng điện như hình vẽ

Cường độ dòng điện trong mạch chính là dòng qua R : 4 AB

4 AB

Tại nút D ta có: IA    I2 I3 3 0,63,6A Ampe kế chỉ 3,6A Chiều dòng điện qua ampe kế từ D đến B

Bài 5: Cho mạch điện như hình vẽ:

R  3 ,R  6 và UAB 7V; AB là

một dây dẫn dài 1,5m Điện trở của ampe

kế và các dây nối không đáng kể Cho biết

 Nếu cực dương của ampe kế nối với D thì: I1 I2 IA IA  I1 I2

- Dựa vào R / /R3 PMNQ ta tính được cường độ dòng điện chạy qua điện trở R5 từ đó

ta tính được cường độ dòng điện qua R 2

giữa hai đầu A, B của mạch điện là

U33V Tính cường độ dòng điện qua các điện trở, hiệu điện thế trên các điện trở Tính số chỉ của ampe kế và chiều dòng điện qua ampe kế

Hướng dẫn:

- Vì RA 0 ta có thể chập hai

điểm M, P làm một và vẽ lại

mạch điện sao cho đơn giản

- Dựa vào tính chất của đoạn

mạch ta tính được điện trở

tương đương của các đoạn

mạch và điện trở tương của toàn mạch

- Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch để tính cường độ dòng điện qua các điện trở Từ đó ta cũng tính được hiệu điện thế trên các điện trở

- Sau khi tính được các cường độ dòng điện đi qua các điện trở ta đi so sánh giá trị cường độ dòng điện qua R và 4 R5; áp dụng quy tắc nút tại M sẽ tính được số chỉ của ampe kế và chiều của dòng điện

Đáp số: I1 0,88A; U1 18,45V; I2 0,34A; U2 14,28V

I3  I5 0,61A; U3 U5 12,2V; I4 0,204A; U4 4,08V

I6 0,136A; U6 4,08V; I I7 1,22A; U7 2,44V

A

I 0,406A; Chiều dòng điện chạy qua ampe kế theo chiều M

Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ:

Các điện trở đều bằng nhau và bằng 5

Dòng điện đi vào và đi ra bằng 3A Tính

hiệu điện thế giữa hai điểm (1), (2)

Hướng dẫn:

- Để làm được bài tập này ta chỉ cần sử dụng định luật bảo toàn dòng điên tại một số nút và áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch ta sẽ tìm được biểu thức biểu diễn mối liên hệ giữa dòng điên đi vào và đi ra với dòng thành phần Từ đó suy ra: U 12

Đáp số: U12 1V

Bài 4: Cho mạch điện như hình vẽ, các điện trở thuần có giá trị R giống nhau,

các vôn kế có điện trở R giống V

nhau Số chỉ của các vôn kế V , 2

- Vận dụng định luật về nút tại E và C và định luật Ôm ta sẽ tìm được UAC

- Số chỉ của vôn kế V1 cũng chính là hiệu điện thế giữa hai đầu A, B.Do đó tìm được UAB ta sẽ tìm được

1

V

U Đáp số:

1

V

U 82V

Bài 5: Cho mạch điện như hình vẽ Biết:

U 15 V, R 15r Các vôn kế giống nhau, điện

trở của dây nối không đáng kể Vôn kế V chỉ 1

14V Hỏi vôn kế V chỉ bao nhiêu? 2

Hướng dẫn:

- Ta phải vận dụng định luật nút tại C và định

luật Ôm ta sẽ tìm được biểu thức biểu diễn mối liên hệ giữa điện trở của vôn kế

U

AB CA

U

1

AB V

- Đối với đoạn mạch có chứa nguồn điện (nguồn phát), dòng điện có chiều đi ra

từ cực dương và đi vào cực âm

- Định luật Ôm đối với đoạn mạch

chứa nguồn điện:

+ Nếu điện trở mạch ngoài R trong một mạch kín nhỏ không đáng kể R0

và điện trở trong của nguồn điện r cũng rất nhỏ thì I tăng lên rất cao: có hiện tượng đoản mạch (rất nguy hiểm)

- Hiệu suất của nguồn điện:

i ng

nguồn điện E6V, r0,5 Tính cường độ

dòng điện qua các điện trở, chiều và cường độ

dòng điện qua ampe kế, hiệu điện thế ở hai cực

Bài 2: Cho mạch điện như hình vẽ R1  4 , R = 0 , A R rất lớn, hai đèn giống V

nhau và có hiệu điện thế định mức 6V, R là 2

biến trở Khi hai đèn cùng sáng , vôn kế chỉ

4,5V, ampe kế chỉ 1,5A Khi tắt bớt một đèn

vôn kế chỉ 16

3 (V) và ampe kế chỉ

4

3(A) a) Tính E , r, R và điện trở R của đèn 2

2 2

RR

RR2

R

R2

với R là điện trở của bóng đèn

Chiều dòng điện trong mạch chính như hình vẽ

Hiệu điện thế UMB bằng: UMB   E r R I1    E r 4 1,54,5V (1)

MB

UR

AM AM 1

Áp dụng định luật Ôm cho toàn mạch ta có: E Rr I

Biết rằng khi mắc vào hai đầu A, B nguồn điện E 1

E130V,r1  2  hoặc nguồn điện E 2

E2 36V,r2  4  thì công suất mạch ngoài vẫn

Với I là cường độ dòng điện trong mạch chính

+ Khi E130V; r1 2 thay vào (1) ta tìm được: I13A và I2 12A

Điện trở mạch ngoài: R P2

I

 tương ứng bằng: R1'  8 ;R'2 0,5 

+ Khi E2 36V; r2  4 thay vào (1) ta tìm được: I1' 3A và I'2 6A

Điện trở mạch ngoài tương ứng bằng: ''

1

R  8 và R''2  2

Vì điện trở mạch ngoài phải giữ nguyên không đổi nên điện trở mạch ngoài phải bằng: RR1' R1''  8 và do đó I3A

Mặt khác điện trở tương đương của mạch được tính theo công thức:

Thay R 8 ;R1R2  6 ta tìm được Rđ  12 (loại bỏ nghiệm âm)

Hiệu điện thế mạch ngoài cũng là hiệu điện thế định mức của đèn 1:

2

AB đ

a) Cường độ dòng điện trong mạch chính

b) Hiệu điện thế ở 2 đầu R ,R 3 4

c) Công suất và hiệu suất của nguồn điện

Hướng dẫn:

- Đây là bài tập vận dụng ta chỉ cần vận dụng các công thức như: tính điện trở tương đương của đoạn mạch; định luật Ôm cho toàn mạch; hiệu suất của nguồn, công suất của nguồn

- Đây là mạch điện có chứa nguồn điện do đó để làm

được bài tập này ta phải vận dụng các công thức tính

hiệu điện thế và cường độ dòng điện cho đoạn mạch chứa nguồn

- Lưu ý khi giải bài tập vôn kế có thể chỉ UMN hoặc UNM ta có thể giả sử

K mở vôn kế chỉ 110V; Khi K ,K đều đóng vôn 1 2

kế chỉ 90V Cho biết vôn kế có điện trở rất lớn Tìm

công suất định mức của đèn Đ 2

Hướng dẫn:

Ta phải xác định xem khi một trong hai khoá

mở hoặc đóng; hay cả hai cùng đóng hoặc cùng mở thì có những đèn nào hoạt động và mạch điện lúc đó được mắc ra sao

+ Khi K và 1 K cùng mở, vôn kế chỉ suất điện động của nguồn 2

+ Khi K đóng, 1 K mở, trong mạch chỉ có đèn 2 Đ hoạt động 1

+ Khi cả K ,K1 2đều đóng, mạch ngoài có hai đèn mắc song song

Đáp án:

2

đ

Bài 5: Cho mạch điện như hình vẽ Cho biết:

Bài 1: Mắc điện trở R 2 vào bộ nguồn gồm hai pin giống nhau  E, r :

- Nếu hai pin ghép nối tiếp thì cường độ dòng điện qua R là: I10,75A

- Nếu hai pin ghép song song thì cường độ dòng điện qua R là I2 0,6A

Tính E , r của mỗi nguồn

Giải:

- Hai nguồn mắc nối tiếp thì tương đương với bộ nguồn: Eb 2E ; rb 2r

1

b

2I

a) Suất điện động và điện trở trong của

nguồn tương đương

b) Cường độ dòng điện đi qua R1

- Nguồn điện tương đương của đoạn mạch BC là: E2 3E

UBM   E r1R I1    3 3 0,75 0,75V

Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ, bộ nguồn gồm hai dãy, mỗi dãy bốn pin nối

tiếp mỗi pin có: E 1,5V;r0 0,25;

b) Từ bảng kết quả trên:

Công suất tiêu thụ trong nguồn nhỏ nhất khi m = 1; n = 6

Pmin rI2   12 1 12W và mắc 6 đèn nối tiếp

Bài 5: Bộ nguồn gồm 20 pin giống nhau, mỗi pin có E0 1,8V; r0 0,5 mắc thành hai dãy song song, mỗi dãy có 10 pin

mắc nối tiếp; đèn Đ có ghi chữ 6V 3W  

2

Hiệu điện thế giữa hai điểm A, B: UAB RI7,5 1,8 13,5  V

Cường độ dòng điện qua hai nhánh ở mạch ngoài:

Tính số chỉ của ampe kế cho biết RA 0.

Hướng dẫn:

- Ta nhận thấy nguồn mắc giữa B và C bị đoản mạch, do đó nó không gây

ra ảnh hưởng gì cho dòng điện đi qua các bộ nguồn khác và đi qua điện trở R

- Áp dụng định luật Ôm cho mạch kín và định luật nút tại C ta có thể tìm được số chỉ của vôn kế Để áp dụng được định luật Ôm ta phải tính được suất điện động và điện trở trong của bộ nguồn dựa vào cách mắc các nguồn điện trong mạch

Đáp số: IA 7, 2A

Bài 2: Có 12 pin giống nhau loại E 1,5V;

r 1  và một điện trở R 3 Tìm cách

ghép số pin trên cho dòng điện qua R là cực

đại Tính cường độ dòng điện cực đại đó

Hướng dẫn:

- Với dạng bài tập này trước tiên ta phải gọi:

với m là số dãy, n là số pin mắc nối tiếp (ghép hỗn hợp đối xứng); m, n phải nguyên dương và m n Tổng số pin

- Tính cường độ dòng điện ta phải sử dụng biểu thức của định luật Ôm cho toàn mạch Để Imaxthì mẫu số của biểu thức đó phải min Áp dụng bất đẳng thức cô-si

ta có thể giải được bài toán

Đáp số: Ghép 12 pin thành 2 dãy, mỗi dãy 6 pin và Imax 1,5A

Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ, bộ nguồn gồm hai dãy, mỗi dãy 6 pin nối

tiếp, mỗi pin có E1,5V;r0,5  Đèn Đ : 1

3V 1W ; Đèn Đ : 6V 3W.2 

a) Khi R1  11 ;R2  6 Tìm cường độ

dòng điện, hiệu điện thế mỗi đèn Nhận xét độ

sáng mỗi đèn