Bài 25: Nền tảng điện trường và mạch điện
Đọc đúng điện trường, hiệu điện thế và công suất trước khi giải đề tổng hợp.
Lý thuyết · Ví dụ · Sơ đồ tư duy
Học xong bài này, em sẽ
- Phân biệt E, điện thế và hiệu điện thế
- Áp dụng định luật Ohm
- Tính công suất và điện năng tiêu thụ
Kiến thức và cách hiểu
Công thức trọng tâm và điều kiện áp dụng
Định luật Ohm
Áp dụng cho điện trở thuần ở điều kiện không đổi hoặc môi trường tuân Ohm.
Công suất điện
U và I là giá trị thích hợp tại phần tử; lưu ý AC có hệ số công suất.
Điện trường và lực điện
Điện trường E có hướng xác định là hướng lực tác dụng lên điện tích thử dương. Với hạt mang điện q, vector F=qE; nếu q âm thì lực ngược hướng điện trường. Độ lớn F=|q|E.
Điện thế và công
Hiệu điện thế giữa hai điểm mô tả chênh lệch thế năng điện trên một đơn vị điện tích. Công của lực điện trong điện trường tĩnh không phụ thuộc đường đi; cần phân biệt độ lớn công với dấu của công khi chuyển điện tích.
Dòng điện và định luật Ohm
Cường độ dòng điện I=Δq/Δt trung bình; với điện trở thuần tuân theo định luật Ohm ở điều kiện thích hợp I=U/R. Đơn vị lần lượt là ampere, volt, ohm.
Điện năng và công suất
Trong mạch một chiều, P=UI, điện năng tiêu thụ W=Pt=UIt nếu U và I không đổi. Với điện trở thuần còn có P=I²R=U²/R. Không dùng I²R cho mọi linh kiện có tính phi tuyến mà không xét điều kiện.
Ví dụ có lời giải
Điện trở 10 Ω đặt dưới hiệu điện thế 20 V có I=2 A, công suất P=40 W. Trong 5 phút, năng lượng tỏa nhiệt khoảng 40×300=12 000 J nếu điện trở và điện áp không đổi.
Bài 25: Kiến thức nâng cao và hướng dẫn giải
Nội dung được viết lại theo tiến trình: khái niệm → điều kiện áp dụng → lập hệ thức → kiểm tra kết quả. Những mục sau mở rộng phần tổng kết hiện có, giúp em ôn đủ dạng trong Chương 5.
Nắm vững lý thuyết và điều kiện áp dụng
Lực điện trong điện trường
Điện trường tại một điểm đặc trưng bởi vector E, hướng là hướng lực tác dụng lên điện tích thử dương. Lực điện F=qE; với q dương cùng hướng E, với q âm ngược hướng E, độ lớn |F|=|q|E. Trong điện trường đều giữa hai bản song song, độ lớn E≈U/d ở vùng giữa hai bản, bỏ qua hiệu ứng mép.
Điện trường đo V/m hoặc N/C; điện thế đo V. Không đồng nhất E với hiệu điện thế U vì chúng khác thứ nguyên.
Điện thế, hiệu điện thế và công
Hiệu điện thế UAB=VA−VB. Công lực điện khi chuyển điện tích q từ A đến B trong trường tĩnh là AAB=qUAB. Nếu q âm, dấu công có thể ngược dấu U; công dương khi lực điện sinh công theo chuyển dời thực.
Chọn mốc điện thế không ảnh hưởng hiệu điện thế hay công giữa hai điểm. Trong điện trường tĩnh, công lực điện không phụ thuộc đường đi, nhưng chuyển động thực còn chịu các lực khác.
Dòng điện, điện trở và định luật Ohm
Dòng điện một chiều có cường độ trung bình I=Δq/Δt; với điện trở thuần thỏa điều kiện Ohm, I=U/R. Điện trở dây đồng chất R=ρℓ/S, ρ là điện trở suất (Ω·m), ℓ chiều dài dây, S tiết diện. Tăng chiều dài gấp đôi và giữ S, vật liệu, nhiệt độ thì R tăng gấp đôi.
Không dùng R=U/I như hằng số bất biến cho mọi linh kiện phi tuyến, ví dụ diode hoặc đèn sợi đốt khi nhiệt độ thay đổi mạnh.
Mắc nối tiếp và song song
Điện trở nối tiếp có Rtđ=R₁+R₂+…, dòng điện qua mỗi điện trở như nhau và U tổng bằng tổng các U phần. Điện trở song song có 1/Rtđ=1/R₁+1/R₂+…, điện áp hai đầu mỗi nhánh như nhau và dòng tổng bằng tổng dòng nhánh.
Trước khi tính công suất toàn mạch, nhận dạng đúng nút nối để tránh nhầm một mạch hỗn hợp với toàn nối tiếp hoặc toàn song song.
Công suất, điện năng và hiệu suất
Công suất điện một chiều P=UI, điện năng W=Pt nếu P không đổi. Với điện trở thuần P=I²R=U²/R. Đơn vị công suất là watt (W), năng lượng là joule (J) hoặc kilowatt-giờ: 1 kWh=3,6×10⁶ J.
Nếu thiết bị có hiệu suất η, năng lượng có ích Wích=ηWvào. Không lấy P=I²R cho toàn bộ các thiết bị tải phức tạp khi đề cần tách phần nhiệt và phần công có ích. Điện dân dụng cần an toàn; không thực hiện thí nghiệm với điện lưới trần.
Tám dạng bài tính có lời giải từng bước
Em nên tự xác định công thức và làm trên giấy trước khi bấm mở lời giải.
|F|=|q|E và μC→C, N→mN
Điện tích q=5 μC trong điện trường đều E=500 V/m. Độ lớn lực điện bằng bao nhiêu mN?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị mN, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: |F|=|q|E và μC→C, N→mN.
- Dữ kiện để thế số: q = 5; e = 500.
- Kết luận: 2.5 mN. Soát lại đơn vị.
E=U/d trong vùng bỏ qua mép
Hai bản tụ phẳng tạo hiệu điện thế U=120 V, cách nhau d=6 cm. Điện trường đều E≈U/d bằng bao nhiêu V/m?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị V/m, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: E=U/d trong vùng bỏ qua mép.
- Dữ kiện để thế số: u = 120; d = 6.
- Kết luận: 2000 V/m. Soát lại đơn vị.
I=U/R
Điện trở R=25 Ω mắc U=50 V (mạch một chiều), dòng điện I là bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị A, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: I=U/R.
- Dữ kiện để thế số: r = 25; u = 50.
- Kết luận: 2 A. Soát lại đơn vị.
R_nt=R₁+R₂
Hai điện trở R₁=25 Ω và R₂=30 Ω mắc nối tiếp. Điện trở tương đương bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị Ω, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: R_nt=R₁+R₂.
- Dữ kiện để thế số: r1 = 25; r2 = 30.
- Kết luận: 55 Ω. Soát lại đơn vị.
1/R=1/R₁+1/R₂
Hai điện trở R₁=50 Ω và R₂=50 Ω mắc song song. R_tđ bằng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị Ω, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: 1/R=1/R₁+1/R₂.
- Dữ kiện để thế số: r1 = 50; r2 = 50.
- Kết luận: 25 Ω. Soát lại đơn vị.
P=UI
Thiết bị mạch DC có U=30 V và I=5 A. Công suất điện P bằng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị W, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: P=UI.
- Dữ kiện để thế số: u = 30; i = 5.
- Kết luận: 150 W. Soát lại đơn vị.
A=Pt
Thiết bị công suất P=500 W hoạt động trong t=5 giờ. Điện năng là bao nhiêu kWh?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị kWh, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: A=Pt; W×h→Wh, chia 1000 ra kWh.
- Dữ kiện để thế số: p = 500; t = 5.
- Kết luận: 2.5 kWh. Soát lại đơn vị.
P=I²R
Điện trở R=6 Ω có dòng I=5 A. Công suất tỏa nhiệt bằng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị W, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: P=I²R.
- Dữ kiện để thế số: r = 6; i = 5.
- Kết luận: 150 W. Soát lại đơn vị.
Cách xử lí hiện tượng và lỗi sai thường gặp
Tính tiền điện
Thiết bị 100 W chạy 10 giờ tiêu thụ 1 kWh, không phải 1000 kWh.
Mạch đo điện
Vôn kế mắc song song với phần cần đo U, ampe kế mắc nối tiếp dòng cần đo, tránh mắc sai gây hỏng thiết bị.
Ba câu hỏi tự soát trước khi nộp
- Em có mắc lỗi: Nhầm dấu lực điện với q âm.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
- Em có mắc lỗi: Nhầm kWh là công suất.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
- Em có mắc lỗi: Dùng nối tiếp/sóng song sai cách khi rút R tương đương.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
Tám câu mẫu tự kiểm trước khi vào Học & Thi
Các câu dưới đây chỉ để kiểm tra nhanh sau khi đọc; bộ Học & Thi đầy đủ có thêm các câu vận dụng và tự luận.
Lực điện tác dụng lên điện tích q trong điện trường E là gì?
Đáp án và lời giải
A. Vector lực điện có thể đổi chiều với q âm.
Điện tích âm trong điện trường đều chịu lực theo hướng nào?
Đáp án và lời giải
D. q âm làm F ngược E.
Trong điện trường đều giữa hai bản, hệ thức độ lớn gần đúng là gì?
Đáp án và lời giải
D. Bỏ qua hiệu ứng mép.
Điện trở R=3 Ω có dòng I=2 A. Công suất tỏa nhiệt bằng bao nhiêu? (Làm tròn đến 2 chữ số thập phân nếu cần.)
Đáp án và lời giải
A. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: P=I²R. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: r = 3; i = 2. Bước 3 – Thế số: ((2 × 2) × 3) = 12 W. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Xét nhóm nhận định 5 về Nền tảng điện trường và mạch điện, chú ý điều kiện mô hình và đơn vị. Chọn Đúng/Sai cho từng ý.
Đáp án và lời giải
a: Đúng; b: Đúng; c: Sai; d: Sai. a) Đúng — Trong điện trường đều gần đúng, E=U/d giữa hai bản song song. Đây là quy tắc phù hợp với các điều kiện trong bài.
b) Đúng — Trong mạch DC, P=UI, 1 kWh=3,6×10⁶ J. Đây là quy tắc phù hợp với các điều kiện trong bài.
c) Sai — Phát biểu không đúng. Kiến thức cần thay vào là: Trong mạch DC, P=UI, 1 kWh=3,6×10⁶ J.
d) Sai — Phát biểu không đúng. Kiến thức cần thay vào là: Trong điện trường đều gần đúng, E=U/d giữa hai bản song song.
Thiết bị công suất P=400 W hoạt động trong t=4 giờ. Điện năng là bao nhiêu kWh? (Làm tròn đến 3 chữ số thập phân nếu cần.) Chỉ nhập số, không nhập đơn vị.
Đáp án và lời giải
1.6. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: A=Pt; W×h→Wh, chia 1000 ra kWh. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: p = 400; t = 4. Bước 3 – Thế số: ((400 × 4) ÷ 1000) = 1.6 kWh. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Điện trở R=4 Ω có dòng I=3 A. Công suất tỏa nhiệt bằng bao nhiêu? (Làm tròn đến 2 chữ số thập phân nếu cần.) Chỉ nhập số, không nhập đơn vị.
Đáp án và lời giải
36. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: P=I²R. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: r = 4; i = 3. Bước 3 – Thế số: ((3 × 3) × 4) = 36 W. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Hai điện trở R₁=50 Ω và R₂=50 Ω mắc song song. R_tđ bằng bao nhiêu? (Làm tròn đến 3 chữ số thập phân nếu cần.) Trình bày rõ các bước, công thức, đổi đơn vị và kết luận.
Đáp án và lời giải
Tự luận – chấm theo các bước trình bày. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: 1/R=1/R₁+1/R₂. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: r1 = 50; r2 = 50. Bước 3 – Thế số: ((50 × 50) ÷ (50 + 50)) = 25 Ω. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Sơ đồ tư duy đầy đủ 6 nhánh
Sơ đồ SVG được biên soạn theo các ý trọng tâm của bài, phóng to vẫn sắc nét, có thể mở xem riêng.
Điểm dễ nhầm và cách tránh
- Đảo chiều lực điện cho q âm
- Nhầm W (watt) với Wh (điện năng)
- Lẫn hiệu điện thế và cường độ điện trường
Ôn tập sau khi học
Ghi nhớ công thức trong điều kiện áp dụng, thử tự giải ví dụ và kiểm tra câu chưa chắc trước khi mở lời giải.