Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lý lớp 9: Điện học

Chia sẻ: Đinh Quỳnh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

180
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu thông tin đến các bạn chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lý lớp 9 với chủ đề điện học bao gồm một số nội dung: các loại mạch điện, quy tắc điện thế, một số phương pháp giải mạch điện cơ bản, các loại mạch điện cơ bản, thiết kế mạch điện theo yêu cầu, mạch điện có dụng cụ đo...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lý lớp 9: Điện học

ĐIỆN HỌC A/ Các loại mạch điện: I/ Các phương pháp vẽ lại mạch điện 1/ Trải mạch điện 2/ Quy tắc điện thế II/ Một số phương pháp giải mạch điện cơ bản 1/ Quy tắc nút điện thế 2/ Quy tắc chia dòng 3/ Quy tắc chia thế III/ Các loại mạch điện cơ bản: 1/ Mạch cầu a/ Mạch giả cầu b/ mạch cầu c/ mạch liên cầu 2/ Mạch vô hạn 3/ Mạch tuần hoàn 4/ Mạch đối xứng IV/Thiết kế mạch điện theo yêu cầu 1/ Tìm số điện trở thích hợp cho 1 mạch điện 2/ Mắc mạch điện có điện trở tương đương cho trước 3/ Mắc mạch điện cho các thiết bị điện hoạt động theo yêu cầu cho trước 4/ mắc mạch điện đối xứng với các đèn B/ Mạch điện có dụng cụ đo: 1/ Vai trò của vôn kế và ampe kế trong mạch điện 2/ Mở rộng thang đo cho vôn kế và ampe kế 3/ Cách mắc các dụng cụ đo trong mạch điện C/ Bài toán về sự biến đổi các đại lượng trong mạch điện – giá trị lớn nhất và nhỏ nhất 1/ Xét sự biến động của một đại lượng trong mạch điện 2/ Tìm min – max của các đại lượng trong một mạch điện D/ Bài toán nhiệt – điện: 1/ Bài toán không có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài 2/ Bài toán có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài. E/ Bài toán đồ thị F/ Bài toán mạch điện chứa nguồn 1/ Chứa 1 nguồn 2/ Chứa nhiều nguồn nối tiếp, song song 3/ Chứa nguồn xung đối G/ Bài toán thực nghiệm H/ Bài toán hộp đen NỘI DUNG CỤ THỂ A/ Các loại mạch điện: I/ Các phương pháp vẽ lại mạch điện 1/ Trải mạch điện PP: + Những điểm được nối với nhau bởi những đoạn dây nối có điện trở không đáng kể được chập lại với nhau. những đoạn mạch có điện trở rất lớn sẽ được bỏ khỏi mạch điện + Ghi những điểm trên mạch điện sau khi đã được chập hoặc sau khi đã bỏ những đoạn mạch theo nguyên tắc: Những điểm hai đầu là nguồn
+ Dựa vào mạch điện sau khi đã biến đổi để vẽ lại mạch điện. Bài 1: Cho mạch điện như hình vẽ bên, các điện trở R 1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 = 20 .Đặt giữa 2 điểm A, B một hiệu điện thế không đổi UAB = 40V, các ampe kế A1, A2, khoá K và các dây nối có điện trở không đáng kể.Tính điện trở của đoạn mạch AB và số chỉ của các Ampe kế trong 2 trường hợp sau: a) Khoá K mở b) Khoá K đóng R1 R2 C Giải: a/ Khi K mở. Chập các điểm B, D, C với nhau. R3 R4 R5 R6 E R7 A B Mạch điện được vẽ lại: A 1 D A2 K Từ đó dễ dàng tính được điện trở tương đương của mạch điện. b/Khi K đóng: Chập A và E, Chập B, D và C. Mạch điện được vẽ lại như sau: Từ đó dễ dàng tính được điện trở tương đương của mạch điện. 2/ Quy tắc điện thế + Ở các mạch điện có tính đối xứng, ngoài việc chập các nút có cùng điện thế hoặc bỏ các điện trở trên các đoạn mạch nối giữa hai điểm có cùng điện thế. Đôi khi ta phải tách các nút để biến đổi mạch điện. Việc tác các nút phải được thỏa mãn các yêu cầu sau. a/ Chỉ tác các nút có từ 4 đầu nối dây trở lên b/ sau khi tách, các nút mới phải có cùng điện thế. + Việc xác định các nút có cùng điện thế phụ thuộc vào tính đối xứng của từng mạch điện. Bài 1: tính điện trở các mạch điện sau: a/ cho mạch điện như hình vẽ: Các đoạn dây nối có điện trở như nhau và có giá trị bằng r. D’ C’ xác định điện trở: RAC; RAC’ ; RAB. B’ A’ D C A B
HD: Vì B, B’ có cùng điện thế. D, D’ có cùng điện thế. Nên ta có thể bỏ đoạn BB’ và CC’ ra khỏi mạch điện. Mạch điện mới: Dùng phương pháp trải mạch điện, dễ dàng tính được điện trở tương đương của mạch điện b/ Cho mạch điện như hình vẽ. Các đoạn dây nối có điện trở như nhau và có giá trị bằng r. Xác đinh điện trở: RAC; RMN A D N M B C HD: Thực hiện tách các nút thành các nút mới có cùng điện thế. ta được mạch điện mới Dùng phương pháp trải mạch điện. dễ dàng tính được điện trở tương đương của mạch điện b/ Cho mạch điện như hình vẽ. Các đoạn dây nối có điện trở như nhau. và có giá trị bằng r. Xác định điện trở: RAC; RAB; RAO A D O M D BA C c/ Cho mạch điện như hình vẽ. Các đoạn dây nối có điện trở như nhau N Q và có giá trị bằng r. xác định điện trở: O RAC; RAB; RAO ; RMN. B P C
II/ Một số phương pháp giải mạch điện cơ bản 1/ Quy tắc nút điện thế 2/ Quy tắc chia dòng và quy tắc chia thế: + Tổng các dòng điện đi vào 1 nút bằng tổng các dòng điện đi ra từ nút ấy: + Tổng độ giảm hiệu điện thế trên một đoạn mạch kín bằng 0 Bài 1: Cho mạch điện như hình vẽ. Các vôn kế giống nhau. Số chỉ các vôn kế V2 và V4 lần lượt là 1V và 3V. Dòng điện qua điện trở R có cường độ là 1A. Xác định số chỉ V1, V2 và giá trị điện trở R HD: Tại nút D ta có: I4 = I3 + I2. Nhân 2 vế với Rv ta được: Rv I4 = Rv I3 + Rv I2 hay: U4 = U3 + U2 từ đó ta có: U3 = U4 – U2 = 2V Lại có: U1 = U3 – U2 = 1V. UR = U3 + U4 = 5V nên R = 5 Ω Bài 2: Cho mạch điện như hình vẽ: Các ampe kế giống nhau. A1 chỉ 3A; A2 chỉ 4A 1/ Xác định số chỉ A3; A4; IR 2/ Biết RA = kR; Tính k. HD: 1/ Có: U2 = U1 + U3 RAI2 = RAI1 + RAI3 I2 = I1 + I3 từ nên I3 = I2 – I1 = 1A Lại có: I4 = I2 + I3 = 5A 2/ Có: IR = I1 – I3 IR = 2A Mà: U3 + U4 = UR kR + 5kR = 2R K = 1/3 III/ Các loại mạch điện cơ bản: 1/ Mạch cầu A/ Các phương trình cơ bản của mạch cầu: Xét mạch cầu như hình vẽ: Các phương trình sau được gọi là phương trình cơ bản: + Phương trình nút tại C, D + UAC + UCB = UAD + UDB + UAC + UCD + UDB = UAD + UDC + UCB + Phương trình tại các mắt ACD và BCD
B/ Phương pháp chuyển mạch: Thông thường sử dụng phương pháp chuyển mạch tam giác thành mạch sao để tính điện trở tương đương: R1 R2 R1 R5 R2 R5 X = Y = Z = R1 + R2 + R5 R1 + R2 + R5 R1 + R2 + R5 Từ đó tính được điện trở đoạn mạch. Chú ý: Sử dụng phương trình nút tại C, D cũng tính được điện trở của nó. R1 R3 C/ Mạch cầu có = thì không có dòng điện qua R5. Khi đó mạch được gọi là mạch cầu cân bằng R2 R4 Bài toán 1: Cho mạch điện như hình vẽ: R1 = 3R; R2 = R3 = R4 = R5 = R A2 Biết ampe kế A1 chỉ I1. R3 R2 B A Hỏi ampe kế A2 chỉ bao nhiêu? + R5 _ Bỏ qua điện trở của ampe kế và các dây nối. R1 R4 A1 Giải: Xét tại nút A và B ta có: I1+I3 = I2 +I4 (1) Mặt khác: UAB = (I3+I2)R = (3I1 +I4)R I3 +I2 = 3I1 + I4 (2) Từ (1) và (2) ta được: I2 = 2I1 Vậy số chỉ của ampe kế A2 là 2I1 Bài toán 2: từ một cuộn dây đồng chất tiết diện đều, làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn, người ta cắt ra hai đoạn dây dài l1 = 1 m và l2 = 3 m. rồi mắc chúng song song với nhau vào một nguồn điện. Gọi hai điểm nút là A, B. người ta đánh dấu điểm M trên dây thứ nhất mà MB=0,2 m. và điểm N trên dây thứ hai mà AN = 0,2 m. rồi nối M, N bằng một đoạn dây thứ 3 có chiều dài lx được cắt ra từ cuộn dây trên. Tính tỷ số cường độ dòng điện trong hai đoạn dây AM và NB. HD: Mạch điện gồm các dây dẫn sau khi nối thì trở thành một mạch cầu. Kí hiệu các đoạn dây điện trở như hình vẽ. Gọi điện trở của 0,1 m chiều dài dây dẫn là R. thì giá trị điện trở của các đoạn dây như hình vẽ: Ta có: U1 + U3 = U2 + U4 0,8I1 + 0,2I3 = 0,2I2 + 2,8I4 4I1 + I3 = I2 + 14I4 (1) Mặt khác, ta cũng có: I1 + I2 = I3 + I4 (2)
I1 Từ (1) và (2) có: 5I1 = 15I4 hay: =3 I4 Bài Toán 3: Có 2009 điểm trong không gian. Cứ hai điểm bất kì trong số điểm đó, được nối với nhau bằng một điện trở có giá trị R = 2009 . Một nguồn điện có hiệu điện thế 12V được mắc vào hai điểm trong mạch. Bỏ qua điện trở dây nối. Tìm công suất toả nhiệt trong mạch điện này. C1 HD: R R C2 A B C2007 + U * Mạch điện được vẽ lại như hình trên : Ngoài hai điểm A,B nối với các cực của nguồn điện thì còn lại là 2007 điểm từ C1 đến C2007 mà giữa chúng từng đôi một được nối với điện trở R. Do tính chất của mạch cầu nên không có dòng điện chạy qua các điện trở này và có thể bỏ qua các điện trở đó trong mạch. Khi đó mạch AB gồm 2008 mạch mắc song song, trong đó có 2007 nhánh có điện trở 2R và một nhánh có điện trở R 2R .R 2007 2R 2.2009 RAB = = 2 2R 2009 2009 R 2007 U2 Công suất toả nhiệt trong mạch AB : P = = 72 W R AB a/ Mạch giả cầu Bài toán 1
Cho mạch điện như hình 2 . Biết R1 = R3 = 30 ; R2 = 10 ; R4 là một biến trở. Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là UAB = 18V không đổi . R1 R2 C Bỏ qua điện trở của dây nối và của ampe kế . a. Cho R4 = 10 . Tính điện trở tương đương của đoạn mạch AB và cường độ dòng điện A mạch chính khi đó ? A B b. Phải điều chỉnh biến trở có điện trở bằng bao nhiêu để ampe kế chỉ 0,2A và dòng điện R3 D R4 chạy qua ampe kế có chiều từ C đến D ? Hình 2 HD: a. Do ampe kế có điện trở không đáng kể nên ta chập C với D Mạch điện được mắc như sau : ( R1 // R3 ) nt ( R2 // R4 ) Vì R1 = R3 = 30 nên R13 = 15 Vì R2 = R4 = 10 nên R24 = 5 Vậy điện trở tương đương của mạch điện là : RAB = R13 + R24 = 15 + 5 = 20 ( ) Cường độ dòng điện mạch chính là : U AB 18 I 0,9( A) R AB 20 HD: b. Gọi I là cường độ dòng điện chạy trong mạch chính Do ampe kế có điện trở không đáng kể nên ta chập C với D Mạch điện được mắc như sau : R1 I1 R2 ( R1 // R3 ) nt ( R2 // R4 ) C I R4 I1 I2 Do R1 = R3 nên I1 = I3 = và I2 = R I IA 2 2 R4 I A B Cường độ dòng điện qua ampe kế là : A I 4 R => IA = I1 – I2 = 2 R R I 2 4 I3 R3 D I4 R4 I ( R2 R4 ) I (10 R4 ) => IA = 2( R R4 ) 2(10 R4 ) = 0,2 ( A ) ( 1 ) 2 R1 R2 .R4 10.R4 Điện trở của mạch điện là : RAB = 2 15 R2 R4 10 R4
U 18 18(10 R4 ) Cường độ dòng điện mạch chính là : I = R AB 10.R4 150 25R4 ( 2 ) 15 10 R4 30 Thay ( 2 ) vào ( 1 ) rồi rút gọn ta được : 14R4 = 60 R4 = ( ) 4,3 ( ) 7 Bài toán 2: Trong sơ đồ mạch điện hình vẽ Các ampe kế A2 chỉ 2A. vôn kế V chỉ 10 V. các điện trở có giá trị Là 1 ; 2 ; 3 ; 4 A2 Xác định vị trí các điện trở và số chỉ của ampe kế A1, biết nó là một số nguyên. A1 Cho biết các dụng cụ đo là lí tưởng. V HD: giả sử kí hiệu các điện trở như hình vẽ: Chọn VB = 0 thì VA = 10 v. 10 − Vc Vc Tại C có: R = +2 R2 R1 R3 1 C Vc 10 − Vc Tại D có: R = R + 2 . Từ đó biến đổi có: 4 3 A2 R2 R4 R1R2R3 + R1R2R4 + R1R3R4 + R2R3R4 + 5(R1R4 – R2R3) = 0 A B Dễ thấy: R1R2R3 + R1R2R4 + R1R3R4 + R2R3R4 = 50 A1 D không phụ thuộc vào cách chọn các giá trị điện trở. nên : V 50 + 5(R1R4 – R2R3) = 0 R2R3 = 10 + R1R4 > 0. R2R3 = 12 và R1R4 = 2 R1 R3 RR 50 U ( R1 + R3 )( R2 + R4 ) Vì: RAB = R + R + R 2+ R4 = ( R + R )( R + R ) Hay IA1 = R = 5 1 3 2 4 1 3 2 4 AB nên để số chỉ ampe kế A1 Nguyên thì (R1 + R3)(R2 +R4) chia hết cho 5. Vậy ta phải có: R1 + R3 = 5 hoặc R2 + R4 = 5. Vậy ta có các trường hợp: R1 = 1 Ω , R4 = 2 Ω , R2 = 3 Ω , R3 = 4 Ω hoặc: R1 = 2 Ω , R4 = 1 Ω , R2 = 4 Ω , R3 = 3 Ω Dễ thấy. Nếu đồng thời đổi chỗ R1 với R2, R3 với R4 thì số chỉ ampe kế A2 vẫn là 2A nhưng theo chiều U ngược lại. Vậy có 4 cách mắc điện trở. Với 4 cách mắc đó thì số chỉ ampe kế A1 đều là: IA1 = = 5A RAB
Bài 2; Bài 4 (3 điểm). R1 D R2 Cho mạch điện như (h.vẽ) : R1 = 2Ω; R2 = 4Ω; MN là một biến trở toàn phần phân bố đều theo chiều dài, có giá trị là Rb = 15 Ω ; C là con chạy di chuyển được trên MN A V B ; UAB = 15V (không đổi). C a/ Xác định vị trí con chạy C vôn kế chỉ số 0. M N b/ Tìm vị trí con chạy C để vôn kế chỉ 1V. Cho điện trở vôn kế rất lớn Bỏ qua điện trở của các dây nối. c/ mạch liên cầu Bài toán Cho mạch điện như hình vẽ: R1 = R3 = R5 = 1 R1 R2 A R3 M R2 = R4 = R6 = 2 . Các ampe kế giống nhau có điện trở P Q A1 A2 Là 1 . Hiệu điện thế giữa hai điểm PQ là U = 19V. xác định số chỉ các Ampe kế R4 N R5 B R6 HD: Mạch điện được biến đổi như hình vẽ. R1 R4 1 R3 R6 1 X1 = = Ω X 2 = = Ω R1 + RA1 + R4 2 R3 + RA2 + R6 2 R1 RA1 1 R3 RA2 1 Y1 = = Ω Y2 = = Ω R1 + RA1 + R4 4 R3 + RA2 + R6 4 RA1 R4 1 R6 RA2 1 (Y + Y + R2 )( Z1 + Z 2 + R5 ) 19 Z1 = = Z 2 = = Ω RTD = 1 2 + X1 + X 2 = Ω R1 + RA1 + R4 2 R3 + RA 2 + R6 2 Y1 + Y2 + R2 + Z1 + Z 2 + R5 9 U Cường độ dòng điện trong mạch chính: I = = 9( A) Vậy: I2 = 4A và I5 = 5A RTD Quay trở lại mạch ban đầu có: I1 = IA1 + I2
I4 + IA1 = I5 I1R1 + IA1RA1 = I4R4 I1 + IA1 = 2I4 Giải hệ trên tìm được IA1 = 1,5 A Tương tự cũng tìm được IA2 = 1,5 A 2/ Mạch vô hạn 3/ Mạch tuần hoàn Bài toán 1: Các điện trở có giá trị R bằng nhau.Các vôn kế có điện trở Rv giống nhau.Số chỉ của vôn kế V2=22V,V3=6V.Tìm số chỉ của vôn kế V1? 2 6 2 6 HD: Gọi điện trở của vôn kế là r. Ta có: UEF = I3. 3R = 6 I3 = và IV3 = Nên I2 = + R r R r 2 6 Có: UCD = I2(R2 + R5) + UV3 = ( + ).2R + 6 = 22. Giải phương trình tìm được R = r. R r 8 22 30 Vậy: I2 = và IV2 = Nên I1 = I2 + IV2 = r r r 30 UV1 = I1( R1 + R4) + UV2 = .2r + 22 = 82 (V) r C D M N P Bài toán 2: Cho mạch điện như hình vẽ: các điện trở trong mạch giống nhau và bằng r. bỏ qua điện trở ampe kế và dây nối Đặt vào AB một hiệu điện thế U thì ampe kế A chỉ I = 8,9A a/ Tìm số chỉ của ampe kế A1 b/ cho r = 1 . Tìm U và xác định điện trở AB. H G F E HD: UPB = IA1.2r = IPE.r IPE = 2IA1 IPN = 3IA1, UNF = 5IA1.r = INF.r INF = 5IA1
IMN = 8IA1, UMG = 13IA1.r = IMG.r IMG = 13IA1 IDM = 21IA1, UDH = 34IA1.r = IDH.r IDH = 34IA1 IDC = 55IA1, UCB = 89IA1.r = IA.r IA = 89IA1 IA Nên: IA1 = = 0,1(A) 89 b/ IAC = 144IA1 = 14,4 (A) U = (14,4 + 8,9)r = 23,3 (V) U 233 RAB = I = (Ω ) AC 144 Bài 26: Trong hình Ha. Các vôn kế giống nhau. V2 chỉ 6V. V1 chỉ 22V Tìm số chỉ vôn kế V Bài toán 3: Trong hình Hb. Các ampe Kế giống nhau. A2 chỉ 0,2A. A1 chỉ 0,8A. A chỉ bao nhiêu? A M P B N Q HD: Có : UPQ = 0,2(r +2R) = IPQ R = 0,6R Từ đó có : R = r với r là điện trở của ampe kế. có : UMN = 2,2r Nên IMN = 2,2 (A) IA = IMN + IA1 = 3 (A) IV/Thiết kế mạch điện theo yêu cầu 1/ Tìm số điện trở thích hợp cho 1 mạch điện 2/ Mắc mạch điện có điện trở tương đương cho trước 3/ Mắc mạch điện cho các thiết bị điện hoạt động theo yêu cầu cho trước Bài toán 1:
Dùng 1 nguồn có hiệu điện thế không đổi U = 5,5V để thắp sáng bình thường 2 bóng đèn (3V – 3W) và (2,5V – 1,25W). a) Hãy nêu ra các sơ đồ có thể có (trong mỗi sơ đồ có thể phải mắc thêm 1 hoặc vài điện trở phụ). Tính giá trị của (các) điện trở phụ cần mắc. b) Trong các sơ đồ đó, sơ đồ nào có công suất hao phí lớn nhất ? Hình 6a Hình 6b Hình 6c Bài 5 : (2,00 điểm) Vẽ được 3 sơ đồ sau : Câu a : Tính : cường độ định mức đèn 1 là I1 = 1A, đèn 2 là I2 = 0,5 A. điện trở đèn 1 là Rd1 = 3 ; đèn 2 là Rd2 = 5 . Vì tổng các HĐT định mức = 5,5 (V) = U nên có thể mắc nối tiếp (hình a), lúc đó điện trở phụ R’2 mắc song song đèn 2 vì I1 > I2. Dòng qua R2’ là I1 – I2 = 0,5 A = I2 nên R2’ = Rd2 = 5 Còn nếu mắc 2 đèn ở 2 nhánh song song thì phải thêm các điện trở phụ như hình b hoặc c để “bù” hiệu điện thế Hình b : Dễ thấy HĐT trên R1 và dòng qua R1 là 2,5 V và 1 A ; HĐT trên R1 và dòng qua R1 là 3V và 0,5A, tính ra : R1 = 2,5 ; R2 = 6 Hình c : Dễ thấy HĐT trên R và dòng qua R là 2,5 V và 1,5 A ; HĐT trên R2 và dòng qua R2 là 0,5V và 0,5A, tính ra : 5 Tính ra : R2 = 1 ; R . 3 Ký hiệu công suất hao phí là P’ Sơ đồ 6a : dòng qua R2’ là I’ = I1 – I2 = 0,5A P’ = R2’.I’2 = 5 0,52 = 1,25 W 2 2 Sơ đồ 6b : P ' R1I1 R2I 2 2,5 1 6 0,52 = 4 W Sơ đồ 6c : dòng qua R là I = I1 + I2 = 1,5A do đó : 2 5 P ' R2I 2 RI 2 1 0,52 1,52 = 4 W 3 Vậy sơ đồ 6b và 6c có công suất hao phí cùng lớn nhất.
Bài toán 2: Có hai bóng đèn Đ1 (6V 2,4 W); Đ2 (6V 3,6 W); một nguồn điện có hiệu điện thế không đổi U = 12 V; một biến trở (50 3A) và các dây dẫn. a. Hãy vẽ các cách mắc để cả hai đèn sáng bình thường (có lập luận chứng tỏ các cách mắc đó thực hiện được). b. Chỉ ra cách mắc có hiệu suất lớn nhất và tính điện trở Rb của biến trở khi đó ? Câu 2. (4,5 đ) : a. Các cách mắc để hai đèn sáng bình thường): Để hai đèn sáng bình thường thì UđmĐ1 = UĐ1 = 6V và UđmĐ2 = UĐ2 = 6V, khi đó ta xác định được: U12dm U 22dm R1 = = 15 ; R2 = = 10 P1 P2 Muốn vậy ta cần sử dụng biến trở cùng với hai đèn Đ1, Đ2 để mắc thành hai nhóm nối tiếp nhau, sao cho mỗi nhóm có hiệu điện thế 6V là đạt yêu cầu. Vì R1 > R2 nên cần mắc thêm điện trở song song với Đ1 để điện trở của nhóm Đ1 giảm xuống sao cho cuối cùng điện trở của nhóm Đ1 bằng với điện trở của nhóm Đ2. Khi đó thì hiệu điện thế mỗi nhóm mới bằng nhau => Ta có 3 cách mắc chính:
+ Cách 1: ( Biến trở // Đ1) nt Đ2 a) a’) Đ1 Đ2 Đ1 Đ2 15Ω 10Ω o o o 15Ω 10Ω o x = 30Ω x.15 * Ở h.a: = 10 (điện trở hai nhóm phải bằng nhau) => x =30 x + 15 Cách mắc a’ không thực hiện được do cách a’ chỉ tạo được điện trở lớn nhất là: (25 // 25 ) = 12,5 . ( Cả biến trở có 50 tạo ra hai điện trở mỗi cái 25 ; khi mắc 25 song song chúng có điện trở tương đương Ω = 12,5Ω < 30Ω ) ) 2 + Cách 2: ( Đ1// Đ2) nt biến trở b) Đ1 Đ1 y = 7Ω o o o o Đ2 Đ2 x = 6Ω 43Ω b’) 6Ω 10.15 * Ở.h.b: =x x = 6Ω 10 + 15 y.(50 − y ) y = 43Ω Cách mắc phụ ở hình b’: =6 y 2 − 50 y + 300 = 0 y + (50 − y ) y = 7Ω + Cách 3: ( Đ1 // một phần biến trở) nt ( Đ2 // phần biến tr ở còn lại) c) 16Ω 34Ω 16Ω 34Ω o o o o  15Ω Đ210Ω Đ1 15Ω Đ210Ω Đ1
x.15 (50 − x).10 (loại, vì x > 50) x = 94 * Ở.h.c: Cần có : = x 2 − 110 x + 1500 = 0 x + 15 (50 − x) + 10 x = 16(nhận) (=> Có 4 cách m ắc để hai đèn sáng bình thường: h. a, h .b , h.b’ và h.c) b: Vì mạch gồm hai nhóm có điện trở bằng nhau mắc nối tiếp nên cần tính công suất của một nhóm rồi nhân đôi thì được công suất tiêu thụ của cả mạch Do hai đèn sáng bình thường => Công suất có ích là: 2,4W + 3,6W = 6W • Ở h.a: Công suất tiêu thụ (công suất toàn phần) là: Pa = 3,6W x 2 = 7,2W ( nhóm Đ2 tiêu thụ 3,6W do đèn Đ2 sáng bình thường ) • Ở h.b và h.b’: Công suất tiêu thụ là: Pb = ( 2,4W+3,6W) X 2 = 12W ( nhóm Đ1//Đ2 tiêu thụ 6W do Đ1, Đ2 sáng bình thường ) • Ở h.c: Công suất tiêu thụ là: Pc = 4,66W X 2 = 9,32W ( nhóm có Đ2 tiêu thụ một công suất là: 4,66W ) P Do H = P và Pcóích trong các trường hợp đều bằng nhau nên hiệu suất ở cách mắc h.a là lớn ci tp nhất do Ptiêuthụ là nhỏ nhất Trị số Rb ở cách mắc h.a là 30 (đã tính ở cách 1 ý a) 4/ mắc mạch điện đối xứng với các đèn Bài toán 3: Dùng nguồn điện có hiệu điện thế không đổi U0 = 32V để thắp sáng một bộ bóng đèn cùng loại (2,5V1,25W).Dây nối trong bộ đèn có điện trở không đáng kể. Dây nối từ bộ bóng đèn đến nguồn điện có điện trở là R=1 a) Tìm công suất tối đa mà bộ bóng có thể tiêu thụ. b) Tìm cách ghép bóng để chúng sáng bình thường. HD: a)Gọi I là dòng điện qua R, công suất của bộ đèn là : P = U.I – RI2 = 32.I – I2 hay : I2 – 32I + P = 0 Hàm số trên có cực đại khi P = 256W
Vậy công suất lớn nhất của bộ đèn là Pmax = 256W b)Gọi m là số dãy đèn, n là số đèn trong một dãy: *Giải theo công suất : Khi các đèn sáng bình thường : I d 0,5( A) và I = m . I d 0,5m Từ đó : U0 . I = RI2 + 1,25m.n Hay 32. 0,5m = 1 (0,5)2 = 1,25m.n 64 = m + 5n ; m, n nguyên dương (1) Giải phương trình (1) ta có 12 nghiệm sau : n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 m 59 54 49 44 39 34 29 24 19 14 9 4 *Giải theo phương trình thế :U0 =UAB + IR với : UAB = 2,5n ; IR = 0,5m.1 = 0,5m Ta được phương trình (1) đã biết 64 = 5n + m *Giải theo phương trình dòng điện : nRd 5n RAB = Và I = m. I d = 0,5m m m U0 32 32m Mặt khác : I = R R AB 5n m 5n 1 m 32m Hay : 0,5m = 64 = 5n + m m 5n B/ Mạch điện có dụng cụ đo: 1/ Vai trò của vôn kế và ampe kế trong mạch điện Bài Toán 1: Cho mạch điện gồm 2 điện trở R1 và R2 mắc song song rồi mắc vào hai cực của một nguồn điện không đổi. Dùng ampe kế có điện trở đáng kể lần lượt đo các cường độ dòng điện trong mạch thì thấy cường độ dòng điện qua các điện trở là như nhau và bằng 6mA, cường độ dòng điện qua mạch chính là 11 mA. Nếu dùng ampe kế lý tưởng để đo các cường độ dòng điện như trên thì được các kết quả là bao nhiêu? HD:Vì số chỉ ampe kế khi đo cường độ dòng điện là như nhau ở hai nhánh nên điện trở hai nhánh bằng nhau. Gọi giá trị các điện trở này là R. Điện trở của ampe kế là r. Ta có: = 6.103 và = 11.103 Đặt r = kR thay vào các phương trình trên và giải. tìm được k = . từ đó tìm được = 6,6.103 Khi dùng ampe kế lý tưởng thì cường độ dòng điện qua các điện trở là I = = 6,6.103 (A) Cường độ dòng điện trong mạch chính là 13,2.103 (A) U Bài toán 2: Có 3 điện trở giá trị lần lượt bằng R; 2R; 3R mắc nối tiếp với nhau vào hiệu điện thế U không đổi. Dùng một vônkế (điện trở RV) V R 2 R 3 R
để đo lần lượt hiệu điện thế giữa 2 đầu điện trở R và 2R thì được các trị số U1 = 40,6 V và U2 = 72,5 V. Nếu mắc vônkế này vào 2 đầu điện trở 3R thì vônkế này chỉ bao nhiêu? HD: Gọi I1 là cường độ dòng điện trong mạch chính ở lần đo thứ nhất. Ta có: U U1 U1 U = U1 + I1(2R + 3R) Với I1 = . Thay vào (1): R RV R U1 U1 V U = U1 + ( R R V )(2R + 3R) R U = 6U1 + 5U1 V (2) R 2 R 3 R Làm tương tự với lần đo thứ hai: U = U2 + I2(R + 3R) R U2 U2 R Với I2 = 2R R V => U = 3U2 + 4U2 V (3) R U3 U3 R Với lần đo thứ ba: U = U3 + I3(R + 2R). Trong đó: I3 = 3R R V Thế vào ta được: U = 2U3 + 3U3 V (4) R R R 6U1 3U 2 26,1 0,3 Từ (2) và (3) ta có: 6U + 5U R V = 3U + 4U R V => R V = 4 U 2 5 U 1 87 (5) 1 1 2 2 => U = 304,5(V) . Thay vào (4) => U3 = 105 (V) 2/ Mở rộng thang đo cho vôn kế và ampe kế 3/ Cách mắc các dụng cụ đo trong mạch điện Bài toán 1: Cho mạch điện như hình vẽ: U = 12V; R1 = 6 ; R2 = 6 ; R3 = 12 ; R4 = 6
R1 M R3 a. Tính cường độ dòng điện qua mỗi điện trở và hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điên trở. b. Nối M và N bằng một vôn kế (có điện trở A B rất lớn) thì vôn kế chỉ bao nhiêu? Cực dương của R2 N R4 vôn kế phải được mắc với điểm nào? c. Nối M và N bằng một ampe kế (có điện trở không đáng kể) thì ampe kế chỉ bao nhiêu? + U HD: 2 a. Tính được: I1 = I3 = A; I2 = I4 = 1A; U1 = 4V; U3 = 8V; U2 = U4 = 6V 3 b. UAM = UAN + UNM => UNM = UAM – UAN = 4 – 6 = 2V hay UMN = 2V Vậy vôn kế chỉ 2V và cực dương của vôn kế được mắc vào điểm M. c. Lập luận và tính được: I1 = 0,85V; I3 = 0,58A Do I1>I3 nên dòng I1 đến M một phần rẽ qua ampe kế (dòng Ia) một phần qua R3 (dòng I3), ta có Ia = I1 – I3 = 0,85 – 0,58 = 0,27A Vậy ampe kế chỉ 0,27A. C/ Bài toán về sự biến đổi các đại lượng trong mạch điện – giá trị lớn nhất và nhỏ nhất 1/ Xét sự biến động của một đại lượng trong mạch điện Bài 3:(3 điểm) Cho mạch điện như hình vẽ: R1 Hiệu điện thế giữa 2 điểm A, B là U = 6V, điện trở R1 = 4 C R2 R2 = 12 ; RX là 1 biến trở.Đ là 1 bóng đèn.Bỏ qua điện trở Đ của các dây nối. + a) Khi RX = 24 thì đèn sáng bình thường và hiệu điện A B RX thế của đèn là 3V.Tính công suất định mức của đèn Đ. b) Cho RX tăng dần lên thì độ sáng của đèn sẽ thay đổi như thế nào?Vì sao? 2/ Tìm min – max của các đại lượng trong một mạch điện Bài toán 1: Hai điện trở R= 4Ω và r mắc nối tiếp vào hai đầu hiệu điện thế U=24V. Khi thay đổi giá trị của r thì công suất tỏa nhiệt trên r thay đổi và đạt giá trị cực đại. Tính giá trị cực đại đó. HD: Gọi I cường độ dòng điện qua mạch. Hiệu điện thế hai đầu r: Ur = U – RI = 24 – 4I Công suất tiêu thụ trên r: P = Ur.I = (24 – 4I) I4I2 – 24I + P = 0 (1) Có: ∆ = 242 – 4P Vì phương trình (1) luôn có nghiệm số nên ∆ ≥ 0 => 242 – 4P ≥ 0 => P ≤ 36 => Pmax = 36W
Bài toán 2: Có 100 điện trở lần lượt có giá trị là R, 2R, 3R, 4R,....., 98R, 99R, 100R mắc nối tiếp nhau. a) Tìm điện trở tương đương của mạch. U b) 100 điện trở trên và 2 đầu của mạch nối chung với + nhau tại điểm A tạo thành mạch kín.Điểm A nối với cực (+) R 2R 99R 100R A của nguồn điện có hiệu điện thế U không đổi, cực () của B nguồn điện nối với điểm B nằm giữa 2 điện trở liên tiếp bất kỳ trong đoạn mạch của 100 điện trở nối tiếp đó (nhu hình vẽ).Hỏi điểm B nối giữa 2 điện trở nào để: +Cường độ dòng điện qua mạch chính đạt cực đại. +Cường độ dòng điện qua mạch chính đạt cực tiểu Bỏ qua điện trở của dây nối mạch Giải: Bài 3: a) Rtđ = 5050R b) +Để I cực đại thì Rtđ cực tiểu, do mạch điện là mạch // cho nên để Rtđ cực tiểu thì R thành phần cũng phải cực tiểu do đó điểm B phải ở vị trí giữa điện trở R và 2R +Để I cực tiểu thì Rtđ cực đại Gọi R0 là điện trở tương đương của 100 điện trở nối tiếp :R0 = 5050R Điểm B nối giữa điện trở thứ n và n + 1 Gọi r0 là điện trở tương đương của các điện trở R, 2R, 3R,....,nR : r0 = (1+2+...+n)R = n(n + 1)/2 .R Nhánh thứ 2 còn lại có điện trở tương đương r/0 : r/0 = R0 r0 = 5050R n(n + 1)/2 .R Ta có : I = I1 + I1 = U/r0 + U/(R0 r0 ) = R0 .U/r0 .(R0 r0 ) Để I cực tiểu thì r0 .(R0 r0 ) cực đại, đặt y = r0 .(R0 r0 ) = R0 .r0 r20 hàm y cực đại khi: r0 = b/2a = R0 /2 hay n(n + 1)/2 .R = 5050R/2 ta có pt sau : n2 + n 5050 = 0, giải pt ta được: n = 70,56 do n nguyên dương cho nên suy ra n = 71. Vậy điểm B phải ở vị trí giữa điện trở thứ 71 và 72 thì cường độ dòng điện I cực tiểu Bài toán 3: Cho mạch điện như hình vẽ bên.Nguồn điện có hiệu điện thế không đổi U = 8V.Các điện trở R0 = 2 , R1 = 3 điện trở của bóng đèn Đ là RĐ = 3 .RAB là điện trở toàn phần của biến trở Khi khoá K mở, điều chỉnh biến trở để phần CB có điện trở RCB = 1 thì lúc đó đèn sáng yếu nhất.Tính điện trở RAB. R0 D Đ C R1 HD: A B Đặt RCB = x; RAB = R; RAC = R x; R/ = RĐ + x A K − x 2 + ( R − 1) x + 21 + 6R Ta có : Rtđ = 6 + x 8( 6 + x) I = − x 2 + ( R − 1) x + 21 + 6R 24 IĐ = 2 − x + ( R − 1) x + 21 + 6R
R −1 .Để đèn sáng yếu nhất thì IĐmin thì mẫu số cực đại hay x = Theo đề bài : x = 1: R = 3 2 D/ Bài toán nhiệt – điện: 1/ Bài toán không có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài Bài toán 1: Một ấm đun nước bằng điện có 3 dây lò xo, mỗi cái có điện trở R=120 , được mắc song song với nhau. Ấm được mắc nối tiếp với điện trở r=50 và được mắc vào nguồn điện. Hỏi thời gian cần thiết để đun ấm đựng đầy nước đến khi sôi sẽ thay đổi như thế nào khi một trong ba lò xo bị đứt? HD: *Lúc 3 lò xo mắc song song: Điện trở tương đương của ấm: R R1 = 40( ) 3 Dòng điện chạy trong mạch: U I1 = R1 r Thời gian t1 cần thiết để đun ấm nước đến khi sôi: Q Q t1 2 Q( R1 r ) 2 Q = R1.I .t1 2 R1I 2 U hay t1 = (1) R1 U 2 R1 R1 r *Lúc 2 lò xo mắc song song: (Tương tự trên ta có ) R R2 = 60( ) 2 U I2 = R2 r Q( R2 r ) 2 t2 = ( 2 ) U 2 R2 t1 t R2 ( R1 r) 2 60( 40 50) 2 243 Lập tỉ số ta được: 1 1 *Vậy t1 t2 t2 t2 R1 ( R2 r) 2 40(60 50) 2 242