Bài học

Luyện đề tổng hợp phần điện

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em ôn tập và vận dụng tổng hợp điện trường, dòng điện không đổi và ghép mạch qua một đề luyện nhiều phần, khép lại toàn bộ chương trình Vật lí 11 nền tảng.

Kiến thức nền cần nhớ

Tóm tắt nhanh ba chương phần điện: $E = k\dfrac{Q}{r^2}$ , $U = Ed$ , $C = \dfrac{Q}{U}$ , $W = \dfrac{1}{2}CU^2$ ; định luật Ohm toàn mạch $I = \dfrac{\xi}{R+r}$ , $U = \xi - Ir$ ; ghép điện trở nối tiếp/song song; công suất $P = UI = I^2R = \dfrac{U^2}{R}$ .

Tóm tắt nhanh ba chương phần điện: $E = k\dfrac{Q}{r^2}$, $U = Ed$, $C = \dfrac{Q}{U}$, $W = \dfrac{1}{2}CU^2$; định luật Ohm toàn mạch $I = \dfrac{\xi}{R+r}$, $U = \xi - Ir$; ghép điện trở nối tiếp/song song; công suất $P = UI = I^2R = \dfrac{U^2}{R}$.

Khởi động

Phần điện của Vật lí 11 có nhiều công thức chứa hiệu điện thế U nhất trong cả năm học. Trước khi làm đề tổng hợp dưới đây, em hãy tự liệt kê nhanh (không nhìn sách) — U xuất hiện trong bao nhiêu ngữ cảnh khác nhau mà em vừa học?

Kiến thức trọng tâm

Ký hiệu U xuất hiện trong ba ngữ cảnh hoàn toàn khác nhau của phần điện: trong điện trường đều, $U = Ed$ liên hệ hiệu điện thế với cường độ điện trường; trong tụ điện, $U = \dfrac{Q}{C}$ liên hệ hiệu điện thế với điện tích tích được; trong mạch điện, $U = \xi - Ir$ là hiệu điện thế mạch ngoài của một nguồn có dòng điện chạy qua. Ba công thức này không thay thế nhau được — việc đầu tiên khi đọc một phần đề là xác định đang ở ngữ cảnh nào trong ba ngữ cảnh đó.

Với mạch điện có ghép điện trở và ghép nguồn, chiến lược không đổi so với chương trước: rút gọn từng cụm nối tiếp/song song, áp dụng định luật Ohm toàn mạch để tìm dòng điện chính, rồi lần ngược ra hiệu điện thế và công suất từng phần. Một phép kiểm tra luôn đáng tin cậy trong đề tổng hợp là cân bằng công suất: công suất nguồn cung cấp phải đúng bằng tổng công suất mạch ngoài và công suất hao phí trên điện trở trong.

Nhìn lại toàn bộ phần điện của Vật lí 11, có một trục xuyên suốt: mọi công thức đều xoay quanh việc chuyển hoá năng lượng — từ công của lực điện dịch chuyển điện tích (định nghĩa U), đến năng lượng dự trữ trong điện trường của tụ điện (W của tụ), đến công suất nguồn chuyển thành công có ích ở mạch ngoài và nhiệt hao phí bên trong nguồn. Nắm được trục xuyên suốt này giúp em không học thuộc lòng rời rạc từng công thức mà hiểu tại sao chúng liên hệ với nhau.

Đây cũng là bài học cuối của cả chương trình Vật lí 11 nền tảng, nên trước khi bước vào phần luyện tập, em nên tự hỏi: với mỗi chủ đề đã ôn — dao động, sóng cơ, sóng âm, điện trường, dòng điện, ghép mạch — em có thể tự giải lại một bài toán tiêu biểu của chủ đề đó mà không cần xem lại công thức không? Nếu còn chủ đề nào chưa chắc chắn, hãy quay lại chương tương ứng ôn lại trước khi làm bài kiểm tra tổng hợp cuối khoá.

Một thói quen tốt khi ôn phần điện là luôn ghi rõ đơn vị của từng đại lượng ngay khi viết ra kết quả trung gian, thay vì chỉ ghi con số — điện tích tính bằng Coulomb dễ nhầm với điện dung tính bằng Fara nếu không ghi đơn vị đi kèm, và một hiệu điện thế tính ra âm (do quên dấu của điện tích) thường là dấu hiệu đã tính nhầm một bước nào đó trước đó. Ghi đơn vị đầy đủ ở mỗi bước giúp giám khảo chấm đúng, và quan trọng hơn, giúp chính em tự phát hiện lỗi sai ngay khi đang làm bài.

Ví dụ

Từ điện trường của một điện tích điểm đến điện tích tụ tích được

1
Một điện tích điểm $Q = 2 \times 10^{-8}$ C đặt cách điểm N một khoảng $r = 0{,}2$ m trong chân không. (a) Tính cường độ điện trường $E$ tại N. (b) Coi N nằm giữa hai bản tụ điện phẳng cách nhau $d = 0{,}02$ m với điện trường đều đúng bằng $E$ ; tụ có điện dung $C = 4\mu$ F. Tính hiệu điện thế $U$ giữa hai bản và điện tích $Q_{tụ}$ mà tụ tích được.
Một điện tích điểm $Q = 2 \times 10^{-8}$ C đặt cách điểm N một khoảng $r = 0{,}2$ m trong chân không. (a) Tính cường độ điện trường $E$ tại N. (b) Coi N nằm giữa hai bản tụ điện phẳng cách nhau $d = 0{,}02$ m với điện trường đều đúng bằng $E$; tụ có điện dung $C = 4\mu$F. Tính hiệu điện thế $U$ giữa hai bản và điện tích $Q_{tụ}$ mà tụ tích được.
2
$E = k\dfrac{|Q|}{r^2} = \dfrac{9 \times 10^9 \times 2 \times 10^{-8}}{0{,}2^2} = \dfrac{180}{0{,}04} = 4500$ V/m. (1)
$E = k\dfrac{|Q|}{r^2} = \dfrac{9 \times 10^9 \times 2 \times 10^{-8}}{0{,}2^2} = \dfrac{180}{0{,}04} = 4500$ V/m. (1)
3
Từ (1): $U = Ed = 4500 \times 0{,}02 = 90$ V. (2)
Từ (1): $U = Ed = 4500 \times 0{,}02 = 90$ V. (2)
4
Từ (2): $Q_{tụ} = CU = 4 \times 10^{-6} \times 90 = 3{,}6 \times 10^{-4}$ C $= 360\mu$ C.
Từ (2): $Q_{tụ} = CU = 4 \times 10^{-6} \times 90 = 3{,}6 \times 10^{-4}$ C $= 360\mu$C.
5
Vậy $E = 4500$ V/m, $U = 90$ V và tụ tích được điện tích $Q_{tụ} = 360\mu$ C.
Vậy $E = 4500$ V/m, $U = 90$ V và tụ tích được điện tích $Q_{tụ} = 360\mu$C.

Ví dụ

Bài dạng thi khép lại khoá học: mạch hỗn hợp với bộ nguồn ghép song song

1
Một bộ nguồn gồm 2 pin giống nhau ghép song song, mỗi pin có $\xi_0 = 3$ V, $r_0 = 1\Omega$ , mắc với mạch ngoài gồm điện trở $R_1 = 1{,}5\Omega$ nối tiếp với cụm ( $R_2$ song song $R_3$ ), trong đó $R_2 = R_3 = 2\Omega$ . Tính (a) suất điện động $\xi_{bộ}$ và điện trở trong $r_{bộ}$ của bộ nguồn; (b) điện trở tương đương $R_{tđ}$ của mạch ngoài; (c) cường độ dòng điện mạch chính $I$ và hiệu điện thế mạch ngoài $U$ ; (d) công suất toả nhiệt trên điện trở $R_1$ ; (e) kiểm tra kết quả bằng cân bằng công suất toàn mạch.
Một bộ nguồn gồm 2 pin giống nhau ghép song song, mỗi pin có $\xi_0 = 3$ V, $r_0 = 1\Omega$, mắc với mạch ngoài gồm điện trở $R_1 = 1{,}5\Omega$ nối tiếp với cụm ($R_2$ song song $R_3$), trong đó $R_2 = R_3 = 2\Omega$. Tính (a) suất điện động $\xi_{bộ}$ và điện trở trong $r_{bộ}$ của bộ nguồn; (b) điện trở tương đương $R_{tđ}$ của mạch ngoài; (c) cường độ dòng điện mạch chính $I$ và hiệu điện thế mạch ngoài $U$; (d) công suất toả nhiệt trên điện trở $R_1$; (e) kiểm tra kết quả bằng cân bằng công suất toàn mạch.
2
Ghép song song 2 pin giống nhau: $\xi_{bộ} = \xi_0 = 3$ V (không đổi so với một pin); $r_{bộ} = \dfrac{r_0}{2} = \dfrac{1}{2} = 0{,}5\Omega$ . (1)
Ghép song song 2 pin giống nhau: $\xi_{bộ} = \xi_0 = 3$ V (không đổi so với một pin); $r_{bộ} = \dfrac{r_0}{2} = \dfrac{1}{2} = 0{,}5\Omega$. (1)
3
$R_2 // R_3 = \dfrac{R_2 R_3}{R_2+R_3} = \dfrac{4}{4} = 1\Omega$ ; $R_{tđ} = R_1 + 1 = 1{,}5 + 1 = 2{,}5\Omega$ . (2)
$R_2 // R_3 = \dfrac{R_2 R_3}{R_2+R_3} = \dfrac{4}{4} = 1\Omega$; $R_{tđ} = R_1 + 1 = 1{,}5 + 1 = 2{,}5\Omega$. (2)
4
Áp dụng định luật Ohm toàn mạch với (1), (2): $I = \dfrac{\xi_{bộ}}{R_{tđ}+r_{bộ}} = \dfrac{3}{2{,}5+0{,}5} = \dfrac{3}{3} = 1$ A. (3) Từ (3): $U = I \times R_{tđ} = 1 \times 2{,}5 = 2{,}5$ V.
Áp dụng định luật Ohm toàn mạch với (1), (2): $I = \dfrac{\xi_{bộ}}{R_{tđ}+r_{bộ}} = \dfrac{3}{2{,}5+0{,}5} = \dfrac{3}{3} = 1$ A. (3) Từ (3): $U = I \times R_{tđ} = 1 \times 2{,}5 = 2{,}5$ V.
5
$P_1 = I^2 R_1$ , từ (3): $P_1 = 1^2 \times 1{,}5 = 1{,}5$ W.
$P_1 = I^2 R_1$, từ (3): $P_1 = 1^2 \times 1{,}5 = 1{,}5$ W.
6
$P_{nguồn} = \xi_{bộ} I = 3 \times 1 = 3$ W; $P_{hp} = I^2 r_{bộ} = 1^2 \times 0{,}5 = 0{,}5$ W; $P_{ngoài} = U \times I = 2{,}5 \times 1 = 2{,}5$ W. Ta có $P_{ngoài} + P_{hp} = 2{,}5 + 0{,}5 = 3$ W, đúng bằng $P_{nguồn}$ — kết quả nhất quán.
$P_{nguồn} = \xi_{bộ} I = 3 \times 1 = 3$ W; $P_{hp} = I^2 r_{bộ} = 1^2 \times 0{,}5 = 0{,}5$ W; $P_{ngoài} = U \times I = 2{,}5 \times 1 = 2{,}5$ W. Ta có $P_{ngoài} + P_{hp} = 2{,}5 + 0{,}5 = 3$ W, đúng bằng $P_{nguồn}$ — kết quả nhất quán.
7
Vậy bộ nguồn có $\xi_{bộ} = 3$ V, $r_{bộ} = 0{,}5\Omega$ ; dòng mạch chính $I = 1$ A, hiệu điện thế mạch ngoài $U = 2{,}5$ V; công suất toả nhiệt trên $R_1$ là 1,5 W, và cân bằng công suất toàn mạch được xác nhận đúng.
Vậy bộ nguồn có $\xi_{bộ} = 3$ V, $r_{bộ} = 0{,}5\Omega$; dòng mạch chính $I = 1$ A, hiệu điện thế mạch ngoài $U = 2{,}5$ V; công suất toả nhiệt trên $R_1$ là 1,5 W, và cân bằng công suất toàn mạch được xác nhận đúng.

Ví dụ

Tính hiệu suất của bộ nguồn ghép song song ở bài trên

1
Với bộ nguồn ở ví dụ trên ( $\xi_{bộ} = 3$ V, $U = 2{,}5$ V), tính hiệu suất $H$ của bộ nguồn.
Với bộ nguồn ở ví dụ trên ($\xi_{bộ} = 3$ V, $U = 2{,}5$ V), tính hiệu suất $H$ của bộ nguồn.
2
$H = \dfrac{U}{\xi_{bộ}} = \dfrac{2{,}5}{3} \approx 0{,}833 = 83{,}3\%$ .
$H = \dfrac{U}{\xi_{bộ}} = \dfrac{2{,}5}{3} \approx 0{,}833 = 83{,}3\%$.
3
Vậy hiệu suất của bộ nguồn là khoảng 83,3%, nghĩa là gần 17% công suất nguồn cung cấp bị hao phí trên điện trở trong $r_{bộ}$ thay vì chuyển thành công suất có ích ở mạch ngoài.
Vậy hiệu suất của bộ nguồn là khoảng 83,3%, nghĩa là gần 17% công suất nguồn cung cấp bị hao phí trên điện trở trong $r_{bộ}$ thay vì chuyển thành công suất có ích ở mạch ngoài.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay nhầm $\xi_{bộ}$ khi ghép song song (không đổi, vẫn bằng $\xi$ của một pin) với ghép nối tiếp (nhân lên theo số nguồn) — đây là lỗi hay gặp nhất khi làm đề tổng hợp phần nguồn ghép.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

U mang ba nghĩa theo ngữ cảnh: điện trường đều ( $U=Ed$ ), tụ điện ( $U=Q/C$ ), mạch điện ( $U=\xi-Ir$ ). Luôn kiểm tra kết quả mạch điện bằng cân bằng công suất: $P_{nguồn} = P_{ngoài} + P_{hp}$ .

U mang ba nghĩa theo ngữ cảnh: điện trường đều ($U=Ed$), tụ điện ($U=Q/C$), mạch điện ($U=\xi-Ir$). Luôn kiểm tra kết quả mạch điện bằng cân bằng công suất: $P_{nguồn} = P_{ngoài} + P_{hp}$.

Đến đây, khoá ôn tập tổng hợp Vật lí 11 đã trải qua đủ sáu mạch kiến thức: dao động, sóng cơ, sóng âm, điện trường, dòng điện không đổi và ghép mạch — công suất. Bài kiểm tra cuối khoá dưới đây trộn cả sáu mạch trong một lần kiểm tra duy nhất.