Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chương 3: Dòng điện trong các môi trường - Dạng 1: Dòng điện trong kim loại (Có lời giải)

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 11 - Chương 3: Dòng điện trong các môi trường - Dạng 1: Dòng điện trong kim loại (Có lời giải)

1. CHƯƠNG III: DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG Dạng 1: Dòng điện trong kim loại 1. Lý thuyết - Các tính chất điện của kim loại có thể giải thích được dựa trên sự có mặt của các electron tự do trong kim loại. Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các êlectron tự do. - Trong chuyển động, các êlectron tự do luôn luôn va chạm với các ion dao động quanh vị trí cân bằng ở các nút mạng và truyền một phần động năng cho chúng. Sự va chạm này là nguyên nhân gây ra điện trở của dây dẫn kim loại và tác dụng nhiệt. Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ. Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ: 1 t t0 Trong đó: : Hệ số nhiệt điện trở (K-1) 0 : Điện trở suất của vật liệu tại nhiệt độ t0 Suất điện động của cặp nhiệt điện: E .T. T1 T2 Trong đó: T1 T2 là hiệu nhiệt đọ giữa đầu nóng và đầu lạnh T là hệ số nhiệt điện động Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ T nào đó, điện trở của kim loại (hay hợp kim) giảm đột ngột đến giá trị bằng không STUDY TIP Bản chất của dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron ngược chiều điện trường. 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Một bóng đèn 220V -100 W có dây tóc làm bằng vônfram. Khi sáng bình thường thì nhiệt độ của dây tóc bóng đèn là 2000°C. Xác định điện trở của bóng đèn khi thắp sáng và khi không thắp sáng. Biết nhiệt độ của môi trường là 20° C và hệ số nhiệt điện trở của vônfram là 4,5.10 3 K 1 A. 484 và 484B. 484 và 48,8C. 48,8 và 48,8 D. 484 và 24,4 Lời giải 2 Ud Khi thắp sáng điện trở của bóng đèn là R d 484 Pd R d Khi không thắp sáng điện trở của bóng đèn là R 0 48,8 1 t t0 Đáp án B Trang 1
2. Ví dụ 2: Một bóng đèn 220 V - 40 W có dây tóc làm bằng vônfram. Điện trở của dây tóc bóng đèn ở 20°C là R 0 121 . Tính nhiệt độ của dây tóc khi bóng đèn sáng bình thường. Cho biết hệ số nhiệt điện trở của vônfram là 4,5.10 3 K 1 A. 2000C B. 2020C C. 1000C D. 1020C Lời giải 2 Ud Khi sáng bình thường R d 1210 Pd R d 1 Vì R d R 0 1 t t0 t t0 2020C R 0 Đáp án B Ví dụ 3: Dây tóc của bóng đèn 220 V - 200 W khi sáng bình thường ở nhiệt độ 2500°C có điện trở lớn gấp 10,8 lần so với điện trở ở 100°C. Tìm hệ số nhiệt điện trở và điện trở R0 của dây tóc ở 100°C. A. 0,0041K 1 B. 0,0024K 1 C. 0,002K 1 D. 0,0224K 1 Lời giải 2 Ud Khi sáng bình thường R d 242 Pd R Ở nhiệt độ 100°C R d 22,4 0 10,8 R d 1 1 Vì R d R 0 1 t t0 0,0041K R 0 t t0 t t0 Đáp án A Ví dụ 4: Ở nhiệt độ t1 25C , hiệu điện thế giữa hai cực của bóng đèn là U1 20mV thì cường độ dòng điện qua đèn là I1 8mA . Khi sáng bình thường, hiệu điện thế giữa hai cực của bóng đèn là U2 240V thì cường độ dòng điện chạy qua đèn là I2 8A . Tính nhiệt độ của dây tóc bóng đèn khi đèn sáng bình thường. Biết hệ số nhiệt điện trở của dây tóc làm bóng đèn là 4,2.10 3 K 1 A. 2619°CB. 2669°CC. 2644°CD. 2694°C Lời giải U1 Điện trở của dây tóc ở 25°C: R1 2,5 I1 U2 Điện trở của dây tóc khi sáng bình thường R 2 30 I2 R 2 1 Vì R 2 R1 1 t2 t1 t2 t1 2644C R1 Trang 2
3. Đáp án C Ví dụ 5: Một mối hàn của cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động T 65 V / K được đặt trong không khí ở 20°C, còn mối hàn kia được nung nóng đến nhiệt độ 320°C. Tính suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện đó. A. 0,0165VB. 0,02925VC. 0,039V D. 0,0195V Lời giải Ta có E T T2 T1 0,0195V Đáp án D Ví dụ 6: Một mối hàn của cặp nhiệt kế nhúng vào nước đá đang tan, mối hàn kia được nhúng vào hơi nước sôi. Dùng milivôn kế đo được suất nhiệt điện động của cặp nhiệt kế điện là 4,25mV . Tính hệ số nhiệt điện động của cặp nhiệt điện đó A. 42,5.10 6 V / K B. 4,25.10 6 V / K C. 42,5.10 3 V / K D. 42,5.10 3 V / K Lời giải E 6 Ta có E T T2 T1 T 42,5.10 V / K T2 T1 Đáp án A Ví dụ 7: Nhiệt kế điện thực chất là 1 cặp nhiệt điện dùng để đo nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp mà ta không thể dùng nhiệt kế thông thường để đo được. Dùng nhiệt kế điện có hệ số nhiệt điện động T 42V / K để đo nhiệt độ của 1 lò nung với 1 mối hàn đặt trong không khí ở 20C còn mối hàn kia đặt vào lò thì thấy milivôn kế chỉ 50,2 mV. Tính nhiệt độ của lò nung A. 1175C B. 1235C C. 1215C D. 1195C Lời giải Ta có: E E T T2 T1 T2 T1 1488K 1215C T Đáp án C Trang 3
4. BÀI TẬP RÈN LUYỆN KĨ NĂNG Câu 1: Pin nhiệt điện gồm: A. hai dây kim loại hàn với nhau, có một đầu được nung nóng. B. hai dây kim loại khác nhau hàn với nhau, có một đầu được nung nóng C. hai dây kim loại khác nhau hàn hai đầu với nhau, có một đầu được nung nóng D. hai dây kim loại khác nhau hàn hai đầu với nhau, có một đầu mối hàn được nung nóng Câu 2: Suất nhiệt điện động phụ thuộc vào A. Nhiệt độ mối hàn B. Độ chênh lệch nhiệt độ mối hàn C. Độ chênh lệch nhiệt độ mối hàn và bản chất hai kim loại D. Nhiệt độ mối hàn và bản chất hai kim loại Câu 3: Điện trở của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào: A. Tăng khi nhiệt độ giảmB. Tăng khi nhiệt độ tăng C. Không đổi theo nhiệt độD. Tăng hay giảm phụ thuộc vào bản chất kim loại Câu 4: Hiện tượng siêu dẫn là: A. Khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ T c nào đó thì điện trở của kim loại giảm đột ngột đến giá trị bằng không B. Khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ T c nào đó thì điện trở của kim loại tăng đột ngột đến giá trị khác không C. Khi nhiệt độ tăng tới nhiệt độ T c nào đó thì điện trở của kim loại giảm đột ngột đến giá trị bằng không D. Khi nhiệt độ tăng tới dưới nhiệt độ T c nào đó thì điện trở của kim loại giảm đột ngột đến giá trị bằng không Câu 5: Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ có biểu thức: 1 A. R B. R R 1 t C. Q I2Rt D. 1 t S 0 0 Câu 6: Người ta cần một điện trở 100 bằng một dây nicrom có đường kính 0,4mm. Điện trở suất nicrom 110.10 8 m . Hỏi phải dùng một đoạn dây có chiều dài bao nhiêu: A. 8,9mB. 10,05mC. 11,4m D. 12,6m Câu 7: Một sợi dây đồng có điện trở 74 ở nhiệt độ 50°C. Điện trở của sợi dây đó ở 100°C là bao nhiêu biết 0,004K 1 A. 66B. 76C. 86 D. 96 Câu 8: Một sợi dây đồng có điện trở 37 ở 50° C. Điện trở của dây đó ở t° C là 43. Biết 0,004K 1 . Nhiệt độ t° C có giá trị: A. 25C B. 75C C. 90C D. 100C Câu 9: Một dây kim loại dài lm, đường kính lmm, có điện trở 0,4. Tính điện trở của một dây cùng chất đường kính 0,4mm khi dây này có điện trở 12,5: A. 4mB. 5mC. 6m D. 7m Trang 4
5. Câu 10: Một dây kim loại dài lm, tiết diện l,5mm 2 có điện trở 0,3. Tính điện trở của một dây cùng chất dài 0,4m, tiết diện 0,5mm2: A. 0,1B. 0,25C. 0,36 D. 0,4 Câu 11: Một thỏi đồng khối lượng 176g được kéo thành dây dẫn có tiết diện tròn, điện trở dây dẫn bằng 32. Tính chiều dài và đường kính tiết diện của dây dẫn. Biết khối lượng riêng của đồng là 8,8.103 kg / m3 , điện trở suất của đồng là 1,6.10 8 m A. l 100m,d 0,72mm B. l 200m,d 0,36mm C. l 200m,d 0,18mm D. l 250m,d 0,72mm Câu 12: Một bóng đèn ở 27°C có điện trở 45, ở 2123°C có điện trở 360. Tính hệ số nhiệt điện trở của dây tóc bóng đèn: A. 0,0037K 1 B. 0,00185K 1 C. 0,016K 1 D. 0,012K 1 Câu 13: Hai dây đồng hình trụ cùng khối lượng và ở cùng nhiệt độ. Dây A dài gấp đôi dây B. Điện trở của chúng liên hệ với nhau như thế nào: R R A. R B B. R 2R C. R B D. R 4R A 4 A B A 2 A B Câu 14: Hai thanh kim loại có điện trở bằng nhau. Thanh A chiều dài lA, đường kính dA, thanh B có chiều dài lB 2lA và đường kính dB 2dA . Điện trở suất của chúng liên hệ với nhau như thế nào A. B B. 2 C. B D. 4 A 4 A B A 2 A B Câu 15: Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của: A. các ion âm, electron tự do ngược chiều điện trường B. các electron tự do ngược chiều điện trường C. các ion, electron trong điện trường. D. các electron, lỗ trống theo chiều điện trường Câu 16: Nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại là sự va chạm của: A. Các electron tự do với chỗ mất trật tự của ion dương nút mạng B. Các electron tự do với nhau trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạn C. Các ion dương nút mạng với nhau trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạn D. Các ion dương chuyển động định hướng dưới tác dụng của điện trường với các electron Câu 17: Khi hai kim loại tiếp xúc với nhau: A. luôn luôn có sự khuếch tán của các electron tự do và các ion dương qua lại lớp tiếp xúc B. luôn luôn có sự khuếch tán của các hạt mang điện tự do qua lại lớp tiếp xúc C. các electron tự do chỉ khuếch tán từ kim loại có mật độ electron tự do lớn sang kim loại có mật độ electron tự do bé hơn D. Không có sự khuếch tán của các hạt mang điện qua lại lớp tiếp xúc nếu hai kim loại giống hệt nhau Câu 18: Cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại tuân theo định luật Ôm phụ thuộc vào điều kiện nào sau đây: A. Dòng điện qua dây dẫn kim loại có cường độ rất lớn B. Dây dẫn kim loại có nhiệt độ tăng dần Trang 5
6. C. Dây dẫn kim loại có nhiệt độ giảm dần D. Dây dẫn kim loại có nhiệt độ không đổi Câu 19: Đơn vị điện dẫn suất  là A. ôm ()B. vôn (V)C. ôm.mét (.m) D. m 2 Câu 20: Chọn đáp án chưa chính xác nhất: A. Kim loại là chất dẫn điện tốt B. Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm C. Dòng điện qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt D. Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ Câu 21: Chọn một đáp án đúng A. Điện trở dây dẫn bằng kim loại giảm khi nhiệt độ tăng B. Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển rời của các electron C. Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các ion D. Kim loại dẫn điện tốt vì mật độ electron trong kim loại lớn Câu 22: Chọn một đáp án sai: A. Dòng điện qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt B. Hạt tải điện trong kim loại là ion C. Hạt tải điện trong kim loại là electron tự do D. Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm khi giữ ở nhiệt độ không đổi Câu 23: Điện dẫn suất σ của kim loại và điện trở suất của nó có mối liên hệ mô tả bởi đồ thị: A. B. C. D. Câu 24: Một dây vônfram có điện trở 136 ở nhiệt độ 100° C, biết hệ số nhiệt điện trở 4,5.10 3 K 1 . Hỏi ở nhiệt độ 20° C điện trở của dây này là bao nhiêu: A. 100B. 150C. 175 D. 200 Câu 25: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của suất nhiệt điện động vào hiệu nhiệt độ giữa hai mối hàn của cặp nhiệt điện sắt - constantan như hình vẽ. Hệ số nhiệt điện động của cặp này là: Trang 6
7. A. 52V / K B. 52V / K C. 5,2V / K D. 5,2V / K Câu 26: Chọn một đáp án sai: A. Suất điện động suất hiện trong cặp nhiệt điện là do chuyển động nhiệt của hạt tải điện trong mạch có nhiệt độ không đồng nhất sinh ra B. Cặp nhiệt điện bằng kim loại có hệ số nhiệt điện động lớn hơn của bán dẫn C. Cặp nhiệt điện bằng kim loại có hệ số nhiệt điện động nhỏ hơn của bán dẫn D. Hệ số nhiệt điện động phụ thuộc vào bản chất chất làm cặp nhiệt điện Câu 27: Một mối hàn của cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện 65V/K đặt trong không khí ở 20° C, còn mối kia được nung nóng đến nhiệt độ 232° C. Suất nhiệt điện của cặp này là: A. 13,9mVB. 13,85mVC. 13,87mV D. 13,78mV Câu 28: Khi nhúng một đầu của cặp nhiệt điện vào nước đá đang tan, đầu kia vào nước đang sôi thì suất nhiệt điện của cặp là 0,860mV. Hệ số nhiệt điện động của cặp này là: A. 6,8V/KB. 8,6V/KC. 6,8V/K D. 8,6V/K Câu 29: Nối cặp nhiệt điện đồng - constantan với milivôn kế để đo suất nhiệt điện động trong cặp. Một đầu mối hàn nhúng vào nước đá đang tan, đầu kia giữ ở nhiệt độ t° C khi đó milivôn kế chỉ 4,25mV, biết hệ số nhiệt điện động của cặp này là 42,5V/K. Nhiệt độ t trên là: A. 100° CB. 1000° CC. 10° CD. 200° C Câu 30: Dùng một cặp nhiệt điện sắt - Niken có hệ số nhiệt điện động là 32,4V/K có điện trở trong r 1 làm nguồn điện nối với điện trở R 19 thành mạch kín. Nhúng một đầu vào nước đá đang tan, đầu kia vào hơi nước đang sôi. Cường độ dòng điện qua điện trở R là: A. 0,162AB. 0,324AC. 0,5A D. 0,081A ĐÁP ÁN 1-D 2-C 3-B 4-A 5-D 6-C 7-C 8-D 9-B 10-D 11-B 12-A 13-D 14-C 15-B 16-A 17-B 18-D 19-D 20-B 21-D 22-B 23-D 24-A 25-A 26-B 27-D 28-B 29-A 30-A HƯỚNG DẪN GIẢI CHI TIẾT Câu 1: Đáp án D Pin nhiệt bao gồm 2 dây kim loại khác nhau hàn hai đầu với nhau, có một đầu mối hàn được nung nóng. Câu 2: Đáp án C  T T1 T2 nên suất nhiệt điện động phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ mối hàn và bản chất hai kim loại Trang 7
8. Câu 3: Đáp án B R R 0 1 T T0 , nên khi nhiệt độ tăng thì điện trở của kim loại cũng tăng. Câu 4: Đáp án A Hiện tượng siêu dẫn là khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ Tc nào đó, điện trở cuả kim loại (hay hợp kim) đó giảm đột ngột đến giá trị bằng 0. Câu 5: Đáp án D 0 1 t Câu 6: Đáp án C 2 0,4 3 100. .10 1 RS 2 R 1 11,42m S 110.10 8 Câu 7: Đáp án C R R 0 1 T T0 74 1 0,004.50 88,8 Câu 8: Đáp án D R R 0 43 37 R R 0 1 T T0 T T0 50 90C R 0 0,004.37 Câu 9: Đáp án B 2 1 3 .10 l1 R1 S1 0,4 2 1 . . 2 l2 5l1 5m l2 R 2 S2 12,5 0,4 3 5 .10 2 Câu 10: Đáp án D R 2 l2 S1 1,5 . 0,4. 1,2 R 2 1,2R1 0,36 R1 l1 S2 0,5 Câu 11: Đáp án B m 176.10 3 V 2.10 5 m3 D 8,8.103 V V Sl S l l l2 RV 32.2.10 5 R l 200m S V 1,6.10 8 V d2 S 10 7 m2 d 0,36mm l 4 Câu 12: Đáp án A R R 0 360 45 1 R R 0 1 T T0 0,0037K R 0 T T0 45 2123 27 Trang 8
9. Câu 13: Đáp án D R l S A A . B 2.2 4 R B lB SA Câu 14: Đáp án C 2 A SA lB dA lB l 1 . 2 . .2 B SB lA dB lA 4 2 Câu 15: Đáp án B Là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự do ngược chiều điện trường Câu 16: Đáp án A Nguyên nhân gây ra nó là sự va chạm của các electron tự do với chỗ mất trật tự của ion dương nút mạng Câu 17: Đáp án B Khi 2 kim loại tiếp xúc với nhau luôn luôn có sự khuếch tán của các hạt mang điện tự do qua lại lớp tiếp xúc Câu 18: Đáp án D Nếu dây dẫn kim loại có nhiệt độ không đổi thì cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại tuân theo định luật Ôm Câu 19: Đáp án D Đơn vị của nó là .m2 Câu 20: Đáp án D Dòng điện chạy trong kim loại tuân theo định luật Ôm khi mà dây dẫn kim loại có nhiệt độ không đổi chứ không phải là mọi trường hợp Câu 21: Đáp án D + A sai vì điện trở dây dẫn kim loại tăng khi tăng nhiệt độ + B sai vì dòng điện trong kim loại là dòng chuyển rời có hướng của các electron tự do + C sai + D đúng vì mật độ electron trong kim loại lớn nên kim loại dẫn điện tốt Câu 22: Đáp án B Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do không phải là ion Câu 23: Đáp án D 1  nên đồ thị của nó là đồ thị nghịch biến nên chọn D p Câu 24: Đáp án A 136 R R 1 T T R 100 0 0 0 1 4,5.10 3.80 Câu 25: Đáp án A Trang 9
10.  2,08.10 3 5,2.10 5 V / K 52V / K T 40 40 Câu 26: Đáp án B Cặp nhiệt điện làm từ 2 thanh bán dẫn có hệ số nhiệt điện động lớn hơn hàng trăm lần so với kim loại Câu 27: Đáp án D Câu 28: Đáp án B 0,86.10 3 8,6 V /K T 100 0 Câu 29: Đáp án B  T 0 100C T Câu 30: Đáp án A  3,24  T 32,4.10 6.100 3,24mV I 0,162A T r R 20 Trang 10