BÀI 8: ĐIỆN NĂNG. CÔNG SUẤT ĐIỆN
A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Điện năng tiêu thụ của đoạn mạch
- Khi sử dụng các dụng cụ điện thì chúng đã tiêu thụ năng lượng. Điện năng tiêu thụ của một đoạn mạch đúng bằng công của lực điện trường tạo ra dòng điện, nên A = Uq = UIt
Trong đó: U là hiệu điện thế đặt vào hai đầu đoạn mạch (V)
q là lượng điện tích dịch chuyển (C)
I là cường độ dòng điện trong mạch (A)
t là thời gian điện tích dịch chuyển (s)
- Lượng điện năng mà một đoạn tiêu thụ khi có dòng điện chạy qua để chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác được đo bằng công của lực điện trường khi dịch chuyển có hướng các điện tích.
2. Công suất điện
- Công suất điện của một đoạn mạch là công suất tiêu thụ điện năng của đoạn mạch đó và có trị số bằng điện năng mà đoạn mạch tiêu thụ trong một đơn vị thời gian. Hoặc bằng tích hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch đó.
- Công thức: \(P=\frac{A}{t}=UI\)
3. Công suất tỏa nhiệt của vật dẫn khi có dòng điện chạy qua
+ Định luật Jun-Lenxơ
- Nếu đoạn mạch là vật dẫn có điện trở thuần R thì điện năng tiêu thụ của đoạn mạch được biến đổi hoàn toàn thành nhiệt năng Q = A = UIt = I2Rt (đây chính là biểu thức của định luật Jun-Lenxơ.
- Phát biểu định luật Jun-Lenxơ: Nhiệt lượng tỏa ra ở một vật dẫn tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của vật dẫn và với thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn đó:
Q = I2Rt
+ Công suất tỏa nhiệt của vật dẫn khi có dòng điện chạy qua.
- Công suất tỏa nhiệt P ở vật dẫn khi có dòng điện chạy qua đặc trưng cho tốc độ tỏa nhiệt của vật dẫn đó và được xác định bằng nhiệt lượng tỏa ra ở vật dẫn trong một đơn vị thời gian.
- Công thức: \(P=\frac{Q}{t}=\frac{{{I}^{2}}.R.t}{t}={{I}^{2}}.R\left( =\frac{{{U}^{2}}}{R} \right).\)
4. Công và công suất của nguồn điện
+ Công của nguồn điện
- Theo định luật bảo toàn năng lượng, điện năng tiêu thụ trong toàn mạch bằng công của các lực lạ bên trong nguồn điện.
- Công thức tính công Ang của một nguồn điện khi tạo thành dòng điện có cường độ I chạy trong toàn mạch sau một thời gian t là: Ang = qℰ = ℰ.I.t
+ Công suất của nguồn điện
- Công suất Png của nguồn điện đặc trưng cho tốc độ thực hiện công của nguồn điện đó và được xác định bằng công của nguồn điện để thực hiện trong đơn vị thời gian. Công suất này cũng chính bằng công suất tiêu thụ điện năng của toàn mạch.
- Công thức: \(P=\frac{{{A}_{ng}}}{t}=\frac{\mathcal{E}.q}{t}=\mathcal{E}.I\)
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1. Công, công suất của dòng điện ở một đoạn mạch.
- Công và công suất tiêu thụ của một đoạn mạch: \(\left\{ \begin{align} & A=U.I.t \\ & P=\frac{A}{t}=U.I=\frac{{{U}^{2}}}{R}. \\ \end{align} \right. \)
- Định luật Ôm cho đoạn mạch chỉ chứa điện trở \(I=\frac{U}{R}.\)
- Nhớ các tính chất, công thức của đoạn mạch gồm các điện trở mắc nối tiếp và song song đã học ở lớp 9.
Đoạn mạch | Mắc nối tiếp | Mắc song song |
| Sơ đồ mắc |
|
|
| Điện trở tương đương của mạch | \(R={{R}_{1}}+{{R}_{2}}+...+{{R}_{n}}\) | \(\frac{1}{R}=\frac{1}{{{R}_{1}}}+\frac{1}{{{R}_{2}}}+...+\frac{1}{{{R}_{n}}}\) |
| Cường độ dòng điện trong mạch | \(I={{I}_{1}}={{I}_{2}}=...={{I}_{n}}\) | \(I={{I}_{1}}+{{I}_{2}}+...+{{I}_{n}}\) |
| Hiệu điện thế giữa hai đầu mạch | \(U={{U}_{1}}+{{U}_{2}}+...+{{U}_{n}}\) | \(U={{U}_{1}}={{U}_{2}}=...={{U}_{n}}\) |
- Dựa vào các số liệu định mức ghi trên các dụng cụ điện để tính điện trở và cường độ dòng điện định mức của dụng cụ đó: \(R=\frac{U_{dm}^{2}}{{{P}_{dm}}};\,\,{{I}_{dm}}=\frac{{{P}_{dm}}}{{{U}_{dm}}}.\)
- Đơn vị của điện năng tiêu thụ còn được tính theo kWh:
1 kWh = 3600000 J = 1 số điện.
Dạng 2. Vận dụng định luật Jun-Lenxơ.
- Nhiệt lượng tỏa ra và công suất tỏa nhiệt trên điện trở: \(\left\{ \begin{align} & Q={{I}^{2}}.R.t \\ & P=\frac{Q}{t}={{I}^{2}}.R=\frac{{{U}^{2}}}{R} \\ \end{align} \right.\)
- Đối với bài toán đun nước bằng ấm điện:
- Nhiệt lượng ấm tỏa ra: Qtoàn phần = Qtỏa = \({{I}^{2}}Rt=\frac{{{U}^{2}}}{R}t.\)
- Nhiệt lượng nước cần thu vào: Qcó ích = \({{Q}_{thu}}=mc\Delta t=mc\left( {{t}_{2}}-{{t}_{1}} \right).\)
(c là nhiệt dung riêng của nước và t1, t2 là nhiệt độ ban đầu và sau khi đun của nước).
- Hiệu suất \(H = \frac{{{Q_{{\rm{có ích}}}}}}{{{Q_{{\rm{toàn phần}}}}}}\) hay \(H = \frac{{{Q_{ci}}}}{{{Q_{tp}}}}.100\% .\)
Dạng 3. Công, công suất của nguồn điện.
- Công và công suất của nguồn điện: \(\left\{ \begin{align} & A=\mathcal{E}.q=\mathcal{E}.I.t \\ & P=\frac{A}{t}=\frac{\mathcal{E}.q}{t}=\mathcal{E}.I \\ \end{align} \right.\)
C. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu C1 (trang 46 SGK Vật Lí 11):
Hãy cho biết đơn vị tương ứng của đại lượng có mặt trong công thức A = U.It
Trả lời:
Trong công thức A = U.It
A là công của dòng điện, đơn vị là J.
U là hiệu điện thế đặt vào hai đầu đoạn mạch, đơn vị là V
I là cường độ dòng điện trong mạch đơn vị là A
t là thời gian điện tích dịch chuyển, đơn vị là s
Câu C2 (trang 46 SGK Vật Lí 11):
Hãy nêu các tác dụng mà dòng điện có thể gây ra.
Trả lời:
Các tác dụng của dòng điện:
- Tác dụng nhiệt (bàn ủi, bếp điện…);
- Tác dụng hóa học (điện phân);
- Tác dụng sinh lí (điện giật, chữa bệnh, châm cứu..);
- Tác dụng từ (làm lệch kim nam châm) là tác dụng cơ bản của dòng điện.
- Tác dụng quang (làm đèn điện phát sáng)
Câu C3 (trang 46 SGK Vật Lí 11):
Dụng cụ gì dùng để đo điện năng tiêu thụ? Mỗi số đo của dụng cụ đó có giá trị bao nhiêu jun (J)?
Trả lời:
Dùng công tơ điện để đo điện năng tiêu thụ điện.
Mỗi số đo của công tơ điện là: 1kWh = 1000 W. 3600 s = 3,6.106 J
Câu C4 (trang 47 SGK Vật Lí 11):
Hãy cho biết đơn vị tương ứng của các đại lượng tương ứng có mặt trong công thức : P = UI
Trả lời:
Trong công thức : P = UI
P là công suất của dòng điện, đơn vị là W.
U là hiệu điện thế đặt vào hai đầu đoạn mạch, đơn vị là V
I là cường độ dòng điện trong mạch đơn vị là A
Câu C5 (trang 47 SGK Vật Lí 11):
Hãy chứng tỏ rằng, công suất tỏa nhiệt ở vật dẫn khi có dòng điện chạy qua được tính bằng công thức: \(P=\frac{Q}{t}={{I}^{2}}.R=\frac{{{U}^{2}}}{R}\) và hãy cho biết đơn vị đo tương ứng với các đại lượng có mặt trong công thức trên.
Trả lời:
- Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn thì điện năng mà đoạn mạch tiêu thụ đã chuyển hóa thành nhiệt năng (nhiệt lượng tỏa ra trên vật dẫn), nên \(P=\frac{Q}{t}=\frac{{{I}^{2}}.R.t}{t}={{I}^{2}}.R={{\left( \frac{U}{R} \right)}^{2}}.R=\frac{{{U}^{2}}}{R}\)
- Đơn vị đo tương ứng của các đại lượng là: P (W); Q (J) ; t (s) ; R (Ω) ; U (V) ; I (A).
D. CÂU HỎI – BÀI TẬP
Bài 1 (trang 49 SGK Vật Lí 11):
Điện năng mà một đoạn mạch tiêu thụ được đo bằng công do lực nào thực hiện? Viết công thức tính điện năng tiêu thụ và cong suất điện của một đoạn mạch khi có dòng điện chạy qua
Lời giải:
- Điện năng mà một đoạn mạch tiêu thụ được đo bằng công do lực điện trường thực hiện.
- Công thức điện năng tiêu thụ của đoạn mạch : A = qU = UIt
- Công thức tính công suất điện của đoạn mạch: \(P=\frac{A}{t}=UI\)
Bài 2 (trang 49 SGK Vật Lí 11):
Hãy nêu tên một dụng cụ hay một thiết bị điện cho mỗi trường hợp dưới đây:
a) Khi hoạt động biến đổi điện năng thành nhiệt năng và năng lượng ánh sáng.
b) Khi hoạt động biến đổi toàn bộ điện năng thành nhiệt năng.
c) Khi hoạt động biến đổi điện năng thành cơ năng và nhiệt năng.
d) Khi hoạt động biến đổi điện năng thành năng lượng hóa học và nhiệt năng.
Lời giải:
a) Dụng cụ khi hoạt động biến đổi điện năng thành nhiệt năng và năng lượng ánh sáng: Bóng đèn dây tóc
b) Dụng cụ khi hoạt động biến đổi toàn bộ điện năng thành nhiệt năng: Bàn là, bếp điện
c) Dụng cụ khi hoạt động biến đổi điện năng thành cơ năng và nhiệt năng: Quạt điện
d) Dụng cụ khi hoạt động biến đổi điện năng thành năng lượng hóa học và nhiệt năng: Ắc quy
Bài 3 (trang 49 SGK Vật Lí 11):
Công suất tỏa nhiệt của mỗi đoạn mạch là gì và được tính bằng công thức nào?
Lời giải:
- Công suất tỏa nhiệt P ở vật dẫn khi có dòng điện chạy qua đặc trưng cho tốc độ tỏa nhiệt của vật dẫn đó và được xác định bằng nhiệt lượng tỏa ra ở vật dẫn trong khoảng thời gian 1 giây.
- Công thức: P = R.I2
Bài 4 (trang 49 SGK Vật Lí 11):
Công của nguồn điện có mối liên hệ gì với điện năng tiêu thụ trưng mạch điện kín? Viết công thức tính công và công suất của nguồn điện.
Lời giải:
Điện năng tiêu thụ trong mạch điện kín bằng công của lực lạ bên trong nguồn điện.
Công của nguồn điện: Ang = ℰ.I.t (trong đó E là suất điện động của nguồn điện)
Công suất của nguồn điện: \(P=\frac{{{A}_{ng}}}{t}=\frac{\mathcal{E}.I.t}{t}=\mathcal{E}.I\)
Bài 5 (trang 49 SGK Vật Lí 11):
Chọn câu đúng.
Điện năng tiêu thụ được đo bằng
A. Vôn kế. B. Công tơ điện. C. Ampe kế. D. Tĩnh điện kế.
Lời giải: Chọn B.
Điện năng tiêu thụ được đo bằng công tơ điện
Bài 6 (trang 49 SGK Vật Lí 11):
Công suất điện được đo bằng đơn vị nào sau đây?
A. Jun (J). B. Oát(W). C. Niutơn (N). D. Culông (C).
Lời giải: Chọn B.
Công suất điện được đo bằng dơn vị Oát (W)
Bài 7 (trang 49 SGK Vật Lí 11):
Tính điện năng tiêu thụ và công suất điện khi dòng điện cường độ 1 A chạy qua dây dẫn trong 1 giờ, biết hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn này là 6 V.
Lời giải:
Điện năng tiêu thụ của đoạn mạch : A = UIt = 6.1.3600 = 21600 J
Công suất điện của đoạn mạch : P = U.I = 6.1 = 6 W.
Bài 8 (trang 49 SGK Vật Lí 11):
Trên nhãn của một ấm điện có ghi 220 V – 1000 W.
a) Cho biết ý nghĩa các số ghi trên đó.
b) Sử dụng ấm điện với hiệu điện thế 220 V để đun sôi 2 lít nước từ nhiệt độ 25°C. Tính thời gian đun nước, biết hiệu suất của ấm nước là 90% và nhiệt dung riêng của nước là 4190 J/kg.K
Lời giải:
a) Ý nghĩa của các số ghi trên ấm điện
- 220 V là hiệu điện thế định mức đặt vào hai đầu ấm điện để ấm hoạt động bình thường.
- 1000 W là công suất tiêu thụ định mức của ấm điện khi sử dụng ấm ở hiệu điện thế 220 V.
b) Nhiệt lượng cần thiết để làm sôi 2 lít nước là: Q = m.c.Δt = 2.4190.(100 – 25) = 628500 J.
Điện năng thực tế mà ấm đã tiêu thụ: \(A=\frac{Q}{H}\)
Thời gian đun: \(t=\frac{A}{P}=\frac{Q}{H.P}=\frac{628500}{0,9.1000}\approx 698,33\) giây = 11 phút 38 giây.
Bài 9 (trang 49 SGK Vật Lí 11):
Một nguồn điện có suất điện động 12 V. Khi mắc nguồn điện này thành mạch điện kín thì nó cung cấp một dòng điện có cường độ 0,8 A. Tính công của nguồn điện này sản ra trong thời gian 15 phút và tính công suất của nguồn điện khi đó.
Lời giải: Chọn D.
Ta có: ℰ = 12 V, I = 0,8 A
Công của nguồn điện sinh ra trong 15 phút: Ang = ℰ.I.t = 12. 0,8. 15. 60 = 8640 J
Công suất của nguồn điện khi này: Png = ℰ.I = 12.0,8 = 9,6 W
Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 11 bài Điện năng. Công suất điện do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc các bạn học tập vui vẻ.