Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chương 2: Dòng điện không đổi - Dạng 2: Điện năng. Định luật Jun-Len xơ. Công suất điện (Có lời giải)

Nội dung text: Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chương 2: Dòng điện không đổi - Dạng 2: Điện năng. Định luật Jun-Len xơ. Công suất điện (Có lời giải)

1. CHƯƠNG II: DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI B. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI DẠNG 2: Điện năng. Định luật Jun-Len xơ. Công suất điện 1. Phương pháp Công của nguồn điện bằng tích của suất điện động của nguồn điện với cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua nguồn điện. Công của nguồn điện bằng công của dòng điện chạy trong toàn mạch. A  It Trong đó: A là công của nguồn điện (J)  là suất điện động của nguồn điện (V). I là cường độ dòng điện chạy qua nguồn (A). t là thời gian dòng điện chạy qua nguồn điện (s). Công suất của nguồn điện bằng tích của suất điện động của nguồn điện với cường độ dòng điện chạy qua nguồn điện. Công suất của nguồn điện bằng công suất của dòng điện chạy trong toàn mạch. A P  I t Trong đó: P là công suất của nguồn điện (W). Điện năng tiêu thụ của một đoạn mạch bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch đó. A UIt Trong đó: A là điện năng tiêu thụ (J) U là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch (V). I là cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch (A). t là thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch (s). Công suất điện của một đoạn mạch bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch đó. A P UI t Trong đó: P là công suất điện (W). A là điện năng tiêu thụ (J) U là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch (V). I là cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch (A). t là thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch (s). Công suất tỏa nhiệt của vật dẫn khi có dòng điện chạy qua được xác định bằng nhiệt lượng tỏa ra ở vật dẫn đó trong khoảng thời gian 1 giây. U 2 P RI 2 R Trang 1
2. Định luật Jun – Lenxơ: Nhiệt lượng tỏa 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. Q RI 2t STUDY TIP Nếu đoạn mạch là vật dẫn có điện trở thuần R thì điện năng tiêu thụ của đoạn mạch được biến đổi hoàn thành nhiệt năng. 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Cho mạch điện gồm hai điện trở mắc nối tiếp nhau và mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U 9V . Cho R1 1,5 . Biết hiệu điện thế hai đầu R2 là 6V. Tính nhiệt lượng tỏa ra trên R2 trong 2 phút? A. 720JB. 1440JC. 2160J D. 24J Lời giải U1 Vì R1 nt R2 nên ta có U1 U U2 3V I1 I2 I 2A R1 9 Điện trở R là R R R 1,5 3 . 2 2 1 2 Nhiệt lượng tỏa ra trên R2 trong thời gian 2 phút (120 giây) là 2 2 Q2 I2 R2t 2 .3.120 1440 (J). Đáp án B. Ví dụ 2: Có hai điện trở mắc giữa hai điểm có hiệu điện thế 12V. Khi R1 nối tiếp R2 thì công suất của mạch là 4W. Khi R1 mắc song song R2 thì công suất mạch là 18W. Hãy xác định R1 và R2 ? A. R1 12; R2 24. B. R1 24; R2 12. C. R1 R2 18. D. Cả A và B đều đúng. Lời giải U 2 1 P R R R 18 Ta có P nên P : 2 nt 1 2 R R Rtd Rtd P1 Rss 1 2 4 R1 R2 2 2 2 2 R1 R2 9R1R2 2 R 1 R 2 5R1R2 0 R2 2R1 2R1 R2 2R2 R1 0 R1 2R2 122 144 + Nếu R2 2R1 P 4 R1 12, R2 24. R1 R2 3R1 + Nếu R1 2R2 , tương tự ta tính được R1 24; R2 12. Đáp án D. Trang 2
3. Ví dụ 3: Hai bóng đèn Đ1 ghi 6V – 3W và Đ2 ghi 6V – 4,5W được mắc vào mạch điện như hình vẽ. Nguồn điện có hiệu điện thế U không thay đổi. a) Biết ban đầu biến trở Rb ở vị trí sao cho 2 đèn sáng bình thường. Tìm điện trở của biến trở lúc này? Trên mạch điện, đâu là Đ1 , đâu là Đ2 ? A. 24  B. 12  C. 36  D. 48  b) Giả sử từ vị trí ban đầu ta di chuyển biến trở con chạy sang phải một chút thì độ sáng các đèn thay đổi thế nào? Lời giải a) Mạch gồm Đ / /Rb nt Đ Cường độ dòng điện định mức của các đèn là: P1 P2 Idm1 0,5A;Idm2 0,75A U1 U2 Khi đèn sáng bình thường thì cường độ dòng điện qua các đèn chính bằng cường độ dòng điện định mức. Dựa vào mạch điện và do Idm2 Idm1 nên đèn 2 là đèn bên phải, đèn 1 là đèn bên trái. Ta có: U1 6 Rb 24 I2 I1 0,25 Đáp án A. b) Mạch gồm: Đ1 / /Rb nt Đ2 . Di chuyển biến trở sang phải thì Rb tăng làm cho R toàn mạch tăng nên I2 giảm nên đèn 2 tối và Ud1 tăng khiến đèn 1 sáng hơn. Ví dụ 4: Cho mạch điện thắp sáng đèn như hình, nguồn có suất điện động 12V. Đèn loại 6V – 3W. Điều chỉnh R để đèn sáng bình thường. Tính công của nguồn điện trong khoảng thời gian 1h? Tính hiệu suất của mạch chứa đèn khi sáng bình thường? A. 21600J và 50%.B. 10800J và 75%C. 21600J và 75% D. 10800J và 50% Trang 3
4. Lời giải U 2 + Theo đề bài r 0, R 12 d P + Để đèn sáng bình thường thì Ud 6V UR E Ud 6V + Cường độ qua đèn và qua R chính là cường độ dòng điện trong mạch chính, ta có: E Id I R I 0,5 R 12 Rd R + Công của dòng điện trong 1h là: A EIt 12.0,5.3600 21600J U 6 + Hiệu suất H= d 50% E 12 Đáp án A Ví dụ 5: Để loại bóng đèn loại 120V – 60W sáng bình thường ở mạng điện có hiệu điện thế 220V, người ta mắc nối tiếp với nó một điện trở phụ R . Tính R ? A. 240  B. 200  C. 220  D. 260  Lời giải 2 2 U D 120 Điện trở của đèn RD 240. PD 60 Vì đèn sáng bình thường nên cường độ dòng điện qua đèn bằng cường độ dòng điện định mức của đèn là 60/120=0,5A. Vì R nối tiếp đèn nên cường độ dòng điện mạch chính cũng là 0,5A. U 220 Điện trở tương đương R R R 440 , suy ra td D I 0,5 R 440 240 200 Đáp án B. Ví dụ 6: Cho mạch điện như hình với U 9V;R1 1,5; R2 6 . Biết cường độ dòng điện qua R3 là 1A. a) Tìm R3 ? A. 6  B. 3  C. 9  D. 12  b) Tính nhiệt lượng tỏa ra trên R2 trong 2 phút? A. 360J.B. 720J.C. 540J. D. 900J. Trang 4
5. c) Tính công suất của đoạn mạch chứa R1 ? A. 3W.B. 6W.C. 9W. D. 12W. Lời giải a) + Mạch gồm R1 nt R2 / /R3 I1 I23 I2 I3 I + Đặt U3 a R3 a U2 U3 a V U1 U23 U1 U2 9 1,5I1 a I1 2 A + a R3 6 I1 I2 I3 1 I1 a 6 V 6 Đáp án A. b) Nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở R2 trong 2 phút là 2 2 I1 Q I2 R2t R2t 6.120 720J 2 Đáp án B. c) Công suất của đoạn mạch chứa R1 là: P1 U1I1 3.2 6W Đáp án B. Ví dụ 7: Một quạt điện được sử dụng dưới hiệu điện thế 220V thì dòng điện chạy qua quạt có cường độ là 5A. a) Tính nhiệt lượng mà quạt tỏa ra trong 30 phút theo đơn vị Jun? A. 1980000J.B. 1980J.C. 19800J. D. 33000J. b) Tính tiền điện phải trả cho việc sử dụng quạt trong 30 ngày, mỗi ngày sử dụng 30 phút, biết giá điện là 600 đồng/kWh. (Biết 1Wh = 3600J, 1kWh = 3600kJ). A. 9900 đồng.B. 9600 đồng.C. 10000 đồng. D. 11000 đồng. Lời giải a) Nhiệt lượng mà quạt tỏa ra trong 30 phút là Q UIt 220.5.30.60 1980000J Đáp án A. b) Điện năng tiêu thụ: Q 1980000.30 59400000J 16,5kWh Vậy số tiền điện phải đóng là T =600.16,5=9900 đồng Đáp án A. Ví dụ 8: Một ấm điện có hai dây dẫn R1 và R2 để đun nước. Nếu dùng dây R1 thì nước trong ấm sẽ sôi sau khoảng thời gian 40 phút. Còn nếu dùng dây R2 thì nước sẽ sôi sau 60 phút. Vậy nếu dùng cả hai dây Trang 5
6. đó mắc song song thì ấm nước sẽ sôi sau khoảng thời gian là bao nhiêu? (Coi điện trở của dây thay đổi không đáng kể theo nhiệt độ) A. 100 phút.B. 24 phút.C. 60 phút. D. 40 phút. Lời giải + Gọi U là hiệu điện thế, Q là nhiệt lượng cần thiết để đun sôi ấm nước, ta có U 2 U 2 Q t1 t2 (1) R1 R2 U 2 + Gọi t3 là thời gian đun sôi ấm nước khi mắc 2 dây song song: Q t3 (2) R1R2 R1 R2 t1t2 + Từ (1) và (2) t3 24 phút t1 t2 Đáp án B. Ví dụ 9: Ba điện trở giống nhau mắc như hình, nếu công suất tiêu thụ trên điện trở (1) là 3W thì công suất toàn mạch là bao nhiêu? A. 18W.B. 36W.C. 3W. D. 9W. Lời giải + Mạch gồm R3 nt R1 / /R2 2 +Công suất tiêu thụ trên điện trở (1) là: P I1 R 3 W R.R R R 1,5R b R R Ta có: I3 I1 I2 Ib Ib 2I1 U U I I 1 2 1 2 2 2 + Công suất tiêu thụ trên toàn mạch: Pm Ib Rb 4I1 .1,5R 6P1 18W Đáp án A. Ví dụ 10: Ba điện trở có trị số R , 2R , 3R mắc như hình vẽ. Nếu công suất của điện trở (1) là 8W thì công suất của điện trở (3) là bao nhiêu? A. 45W.B. 54W.C. 36W. D. 63W. Trang 6
7. Lời giải I I I 3 1 2 + Mạch gồm R3 nt R1 / /R2 1 I3 1,5I1 U U I R I R I I 1 2 1 1 2 2 2 2 1 2 2 + Công suất tiêu thụ trên điện trở (3) là: P3 I3 R3 1,5I1 .3R 6,75P1 54 W Đáp án B. Ví dụ 11: Một bộ pin của một thiết bị điện có thể cung cấp một dòng điện 2A liên tục trong 1 giờ thì phải nạp lại. a) Nếu bộ pin trên được sử dụng liên tục trong 4 giờ ở chế độ tiết kiệm năng lượng thì phải nạp lại. Tính cường độ dòng điện mà bộ pin này có thể cung cấp? A. 0,5A.B. 2A.C. 1,5A D. 1A b) Tính suất điện động của bộ pin này nếu trong thời gian 1 giờ nó sinh ra một công là 72kJ. A. 10VB. 20VC. 5V D. 12V Lời giải a) I mà bộ pin này có thể cung cấp khi hoạt động liên tục trong 4h là: I 2 I 0,5A 1 4 4 Đáp án A. A 72.103 b) Suất điện động của bộ pin này là: E 10 V It 2.3600 Đáp án B. Trang 7
8. BÀI TẬP RÈN LUYỆN KĨ NĂNG Câu 1: Một bộ acquy có suất điện động 6V có dung lượng là 15Ah. Acquy này có thể sử dụng thời gian bao lâu cho tới khi phải nạp lại, tính điện năng tương ứng dự trữ trong acquy nếu coi nó cung cấp dòng điện không đổi 0,5A. A. 30h;324kJB. 15h;162kJC. 60h;648kJ D. 22h;489kJ Câu 2: Mạch điện gồm điện trở R 2 mắc thành mạch điện kín với nguồn  3V , r 1 thì công suất tiêu thụ ở mạch ngoài R là: A. 2WB. 3WC. 18W D. 4,5W Câu 3: Một nguồn có  3V , r 1 nối với điện trở ngoài R 1 thành mạch điện kín. Công suất của nguồn điện là: A. 2,25W.B. 3WC. 3,5W D. 4,5W Câu 4: Một mạch điện kín gồm nguồn điện suất điện động  6V , điện trở trong r 1 nối với mạch ngoài là biến trở R , điều chỉnh R để công suất tiêu thụ trên R đạt giá trị cực đại. Công suất đó là: A. 36WB. 9WC. 18W D. 24W Câu 5: Một mạch điện kín gồm nguồn điện suất điện động  3V , điện trở trong r 1 nối với mạch ngoài là biến trở R , điều chỉnh R để công suất tiêu thụ trên R đạt giá trị cực đại. Khi đó R có giá trị là: A. 1  B. 2  C. 3  D. 4  Câu 6: Một nguồn điện có suất điện động  12V điện trở trong r 2 nối với điện trở R tạo thành mạch kín. Xác định R biết R 2 , công suất mạch ngoài là 16W: A. 3  B. 4  C. 5  D. 6  Câu 7: Một nguồn điện có suất điện động  12V điện trở trong r 2 nối với điện trở R tạo thành mạch kín. Tính cường độ dòng điện và hiệu suất nguồn điện, biết R 2 , công suất mạch ngoài là 16W: A. I 1A,H 54% B. I 1,2A,H 76,6% C. I 2A,H 66,6% D. I 2,5A,H 56,6% Câu 8: Hai điện trở mắc song song vào nguồn điện nếu R1 R2 và R12 là điện trở tương đương của hệ mắc song song thì: A. R12 nhỏ hơn cả R1 và R2 . Công suất tiêu thụ trên R2 nhỏ hơn trên R1 B. R12 nhỏ hơn cả R1 và R2 . Công suất tiêu thụ trên R2 lớn hơn trên R1 C. R12 lớn hơn cả R1 và R2 D. R12 bằng trung bình nhân của R1 và R2 Câu 9: Ba điện trở bằng nhau R1 R2 R3 mắc như hình vẽ. Công suất tiêu thụ: Trang 8
9. A. lớn nhất ở R1 B. nhỏ nhất ở R1 C. bằng nhau ở R1 và hệ nối tiếp R23 D. bằng nhau ở R1 , R2 , R3 Câu 10: Hai bóng đèn có hiệu điện thế định mức lần lượt là U1 110V , U2 220V . Chúng có công suất định mức bằng nhau, tỉ số điện trở của chúng bằng: R R R R A. 2 2 B. 2 3 C. 2 4 D. 2 8 R1 R1 R1 R1 Câu 11: Để bóng đèn 120V – 60W sáng bình thường ở mạng điện có hiệu điện thế 220V người ta mắc nối tiếp nó với điện trở phụ R . R có giá trị: A. 120  B. 180  C. 200  D. 240  Câu 12: Ba điện trở bằng nhau R1 R2 R3 nối vào nguồn như hình vẽ. Công suất tiêu thụ: A. lớn nhất ở R1 B. nhỏ nhất ở R1 C. bằng nhau ở R1 và bộ hai điện trở mắc song song D. bằng nhau ở R1 , R2 , R3 Câu 13: Khi hai điện trở giống nhau mắc song song và mắc vào nguồn điện thì công suất tiêu thụ là 40W. Nếu hai điện trở này mắc nối tiếp vào nguồn thì công suất tiêu thụ là: A. 10WB. 80WC. 20W D. 160W Câu 14: Mắc nối tiếp hai điện trở R1 10 , R2 20 vào nguồn có hiệu điện thế U không đổi. So sánh công suất tiêu thụ trên các điện trở này khi chúng mắc nối tiếp và mắc song song thấy P P P P A. nối tiếp 1 0,5 ; song song 1 2 B. nối tiếp 1 1,5 ; song song 1 0,75 P2 P2 P2 P2 P P P P C. nối tiếp 1 2 ; song song 1 0,5 D. nối tiếp 1 1; song song 1 2 P2 P2 P2 P2 Câu 15: Một bếp điện gồm hai dây điện trở R1 và R2 . Nếu chỉ dùng R1 thì thời gian đun sôi nước là 10 phút, nếu chỉ dùng R2 thì thời gian đun sôi nước là 20 phút. Hỏi khi dùng R1 nối tiếp R2 thì thời gian đun sôi nước là bao nhiêu: A. 15 phútB. 20 phútC. 30 phút D. 10 phút Câu 16: Một bếp điện gồm hai dây điện trở R1 và R2 . Nếu chỉ dùng R1 thì thời gian đun sôi nước là 15 phút, nếu chỉ dùng R2 thì thời gian đun sôi nước là 30 phút. Hỏi khi dùng R1 song song R2 thì thời gian đun sôi nước là bao nhiêu: A. 15 phútB. 22,5 phútC. 30 phút D. 10 phút Trang 9
10. Câu 17: Một bàn là dùng điện 220V. Có thể thay đổi giá trị điện trở của cuộn dây trong bàn là như thế nào để dùng 110V mà công suất không thay đổi: A. tăng gấp đôiB. tăng 4 lầnC. giảm 2 lần D. giảm 4 lần Câu 18: Hai bóng đèn có công suất định mức là P1 25W,P2 100W đều làm việc bình thường ở hiệu điện thế 110V . So sánh cường độ dòng điện qua mỗi bóng và điện trở của chúng: A. I1 I2; R1 R2 B. I1 I2; R1 R2 C. I1 I2; R1 R2 D. I1 I2; R1 R2 Câu 19: Hai bóng đèn có công suất định mức là P1 25W,P2 100W đều làm việc bình thường ở hiệu điện thế 110V . Khi mắc nối tiếp hai đèn này vào hiệu điện thế 220V thì: A. đèn 1 sáng yếu, đèn 2 quá sáng dễ cháyB. đèn 2 sáng yếu, đèn 1 quá sáng dễ cháy C. cả hai đèn đều sáng yếuD. cả hai đèn sáng bình thường Câu 20: Hai điện trở giống nhau mắc nối tiếp vào nguồn điện hiệu điện thế U thì tổng công suất tiêu thụ của chúng là 20W. Nếu chúng mắc song song vào nguồn này thì tổng công suất tiêu thụ của chúng là: A. 5WB. 40WC. 10W D. 80W Câu 21: Khi một tải R nối vào nguồn suất điện động  và điện trở trong r , thấy công suất mạch ngoài cực đại thì:  A.  IR B. r R C. P  I D. I R r Câu 22: Một nguồn điện có suất điện động  12V điện trở trong r 2 nối với điện trở R tạo thành mạch kín. Xác định R để công suất tỏa nhiệt trên R cực đại, tính công suất cực đại đó: A. R 1, P 16W B. R 2, P 18W C. R 3, P 17,3W D. R 4, P 21W ĐÁP ÁN 1-A 2-A 3-D 4-B 5-A 6-B 7-C 8-A 9-A 10-C 11-C 12-A 13-A 14-B 15-C 16-D 17-D 18-D 19-B 20-D 21-B 22-B HƯỚNG DẪN GIẢI CHI TIẾT Câu 1: Đáp án A. + Nếu nó cung cấp dòng điện không đổi 0,5A thì số giờ nó có thể sử dụng trước khi phải nạp lại là 15 t 30h 0,5 + Q 6.0,5.30.3600 324kJ Câu 2: Đáp án A. E + I 1A R r 2 + Pn I R 2W Câu 3: Đáp án D. Trang 10
11. E 2 9 P 4,5W R r 2 Câu 4: Đáp án B. E 2 E 2 + P R R 2 r2 R r R 2r R r2 + Áp dụng BDT Cauchy cho R và ta được R r2 R 2r R E 2 62 Dấu " " xảy ra khi R r và P 9W max 4r 4 Câu 5: Đáp án A. Sử dụng kết quả câu 4 ta được R r 1 Câu 6: Đáp án B. E 2 122 R Pn R 16 R r 2 R 2 2 16 R 2 2 144R 0 16R2 80R 64 0 2 R 4 R 5R 4 0 R 1 Vậy R 4 Câu 7: Đáp án C. + Sử dụng kết quả câu 6 ta được E R 4 I 2A R r U R 4 2 + H R 66,67% E R r 6 3 Câu 8: Đáp án A. U 2 Mắc song song thì R R , R , P P P 12 1 2 R 2 1 Câu 9: Đáp án A. I1 I23 I I 4I2 R1 / / R2 nt R3 U1 U23 U I1 I23 2I2 2I3 Từ đây ta suy ra được công suất lớn nhất là ở điện trở R1 Câu 10: Đáp án C. Trang 11
12. 2 2 2 U1 U2 R2 U2 2 4 R1 R2 R1 U1 Câu 11: Đáp án C. + Để bóng đèn sáng bình thường thì U 2 U U 120V R 240 d dm d P Ud +U R U Ud 220 120 100V , I R Id 0,5A Rd U 100 R R 200 Ir 0,5 Câu 12: Đáp án A. I1 I23 I I 4I2 R1 / / R2 nt R3 U1 U23 U I1 I23 2I2 2I3 Từ đây ta suy ra được công suất lớn nhất ở trên điện trở R1 Câu 13: Đáp án A. R.R P2 Rb1 R R 1 P1 P2 10W P1 Rb2 R R 4 4 Câu 14: Đáp án B. P1 R1 + Mắc song song thì I1 I2 I 0,5 P2 R2 P1 R2 + Mắc nối tiếp thì U1 U2 U 2 P2 R1 Câu 15: Đáp án C. U 2 U 2 + Gọi U là hiệu điện thế Q là nhiệt lượng cần thiết để đun sôi ấm nước Q t1 t2 (1) R1 R2 U 2 + Gọi t3 là thời gian đun sôi ấm nước khi mắc 2 dây song song Q t3 (2) R1 R2 Từ (1) và (2) t3 t1 t2 30 phút Câu 16: Đáp án D. Trang 12
13. U 2 U 2 + Gọi U là hiệu điện thế Q là nhiệt lượng cần thiết để đun sôi ấm nước Q t1 t2 (1) R1 R2 U 2 + Gọi t3 là thời gian đun sôi ấm nước khi mắc 2 dây song song Q t3 (2) R1R2 R1 R2 Từ (1) và (2) t3 t1 t2 10 phút Câu 17: Đáp án D. 2 2 2 U1 U2 R2 U2 1 P 2 , vậy phải giảm điện trở cuộn dây đi 4 lần. R1 R2 R1 U1 4 Câu 18: Đáp án D. P1 5 P2 10 I1 A, I2 I2 I1, R2 R1 U1 22 U2 11 Câu 19: Đáp án B. Nếu nối tiếp vào hiệu điện thế 220V, 1102 1102 R R R 605 1 2 25 100 220 I I I 0,36A, nó lớn hơn dòng định mức của bóng đèn thứ nhất và nhỏ hơn của bóng đèn 1 2 605 thứ 2 nên đèn 2 sáng yếu, đèn 1 quá sáng nên dễ cháy. Câu 20: Đáp án D. P R R 2 4 P 4P 80W R.R 2 1 P1 R R Câu 21: Đáp án B. Áp dụng kết quả của câu 4 công suất mạch ngoài cực đại khi R r Câu 22: Đáp án B. R r 2 Áp dụng kết quả của câu 4, ta được E 2 P 18W max 4r Trang 13