Bài 10: Năng lượng của dòng điện và công suất điện
Mở đầu trang 52 KHTN 9: Trên các thiết bị điện thường ghi các thông số kĩ thuật.
Ví dụ, quạt điện có các thông số như hình 10.1. Khi các thiết bị điện hoạt động, năng
lượng của dòng điện chuyển hoá thành các dạng năng lượng nào và sự chuyển hoá
đó có liên quan như thế nào với số oát của các thiết bị điện? Lời giải:
- Điện áp 5V cho biết lượng năng lượng điện được cung cấp cho quạt.
- Công suất 4W là lượng công việc mà quạt có khả năng thực hiện, hay nói cách
khác, là năng lượng mà quạt chuyển đổi từ dạng điện thành các dạng năng lượng
khác (ví dụ, năng lượng cơ khí để quay cánh quạt và tạo gió).
- Quá trình chuyển đổi năng lượng:
+ Năng lượng điện từ nguồn 5V sẽ được chuyển đổi thành cơ năng khi quạt quay.
+ Có thể có một phần năng lượng còn lại chuyển đổi thành nhiệt nếu có sự tổn thất
năng lượng do ma sát và các yếu tố khác.
Câu hỏi 1 trang 52 KHTN 9: Nêu thêm một số ví dụ chứng tỏ dòng điện có năng
lượng. Với mỗi ví dụ, cho biết năng lượng của dòng điện đã biến đổi thành dạng năng lượng nào? Lời giải:
Dòng điện chạy qua quạt điện làm động cơ của quạt quay, kéo theo cánh quạt quay
và làm cho không khí chuyển động. Như vậy, dòng điện mang năng lượng. Trong
trường hợp này, hầu hết năng lượng của dòng điện chuyển hoá thành động năng
của động cơ và cánh quạt. Phần lớn động năng này lại được chuyển hoá thành
động năng của dòng không khí.
Dòng điện chạy qua đèn LED trong đèn pin làm đèn phát sáng. Khi đó, hầu hết năng
lượng của dòng điện chuyển hoá thành năng lượng ánh sáng.
Câu hỏi 2 trang 53 KHTN 9: Cho mạch điện gồm một điện trở R mắc với 2 đầu
nguồn điện có hiệu điện thế không đổi U. Tính năng lượng điện điện trở tiêu thụ trong thời gian t. Lời giải:
- Năng lượng điện điện trở tiêu thụ trong thời gian t: W= UIt = RU2t
Tìm hiểu thêm 1 trang 53 KHTN 9: Để tìm hiểu mối liên hệ giữa năng lượng của
dòng điện với cường độ dòng điện, điện trở và thời gian, Joule thực hiện hai thí
nghiệm được mô tả dưới đây.
Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của năng lượng điện vào điện trở được mô tả ở
sơ đồ hình 10.3. Dụng cụ thí nghiệm gồm: hai nhiệt lượng kế đựng hai lượng nước
giống nhau, hai dây điện trở khác nhau nhúng trong nước được mắc nối tiếp với
nguồn điện. Khi cho dòng điện chạy qua, hai điện trở sẽ nóng lên và toả nhiệt. Kết
quả đo trong cùng khoảng thời gian cho thấy năng lượng nhiệt đo được tỉ lệ với điện
trở. Từ đó, ông rút ra kết luận: Năng lượng điện tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn điện.
Em hãy tìm hiểu vì sao lại mắc hai điện trở nối tiếp khi tiến hành thí nghiệm ở hình 10.3. Lời giải:
Khi tiến hành thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của năng lượng điện vào điện trở, ta
mắc hai điện trở nối tiếp vì mắc nối tiếp hai điện trở nối tiếp, chúng ta có thể kiểm
soát cường độ dòng điện chảy qua mạch. Điều này giúp thí nghiệm được thực hiện
dễ dàng và chính xác hơn.
Tìm hiểu thêm 2 trang 53 KHTN 9: Để đo năng lượng điện tiêu thụ của gia đình, ta
dùng đồng hồ đo năng lượng điện hay còn gọi là công tơ điện. Hãy ước tính năng
lượng điện tiêu thụ của gia đình em trong một ngày. Làm thế nào để kiểm tra kết quả
ước tính đó có phù hợp với thực tế hay không? Lời giải:
Để ước tính năng lượng điện tiêu thụ của gia đình trong một ngày, ta có thể thực hiện như sau:
1. Ghi lại số liệu từ công tơ điện:
- Ghi lại số liệu từ công tơ điện vào lúc ban đầu và sau một khoảng thời gian nhất
định, chẳng hạn sau một ngày.
2. Tính toán năng lượng tiêu thụ:
- Sử dụng công thức: Năng lượng (kWh) = Công suất (kW) x Thời gian (giờ).
- Xác định công suất dựa trên các thiết bị điện sử dụng trong gia đình và thời gian sử dụng của chúng.
3. Kiểm tra kết quả ước tính:
- So sánh kết quả ước tính năng lượng điện tiêu thụ với số liệu thực tế từ công tơ điện sau một ngày.
- Nếu kết quả gần nhau, thì phương pháp ước tính có thể được tin tưởng.
4. Kiểm tra thiết bị và ứng dụng:
- Kiểm tra và xác định xem tất cả các thiết bị đã được tính toán trong công suất hay chưa.
- Kiểm tra ứng dụng và các thiết bị đo đạc nếu có để đảm bảo chúng đang hoạt động chính xác.
5. Điều chỉnh nếu cần thiết:
- Nếu có sự chênh lệch lớn, xem xét lại các công suất và thời gian sử dụng để điều chỉnh ước tính.
Bằng cách này, gia đình có thể ước tính năng lượng điện tiêu thụ và kiểm tra kết quả
đó so với số liệu thực tế từ công tơ điện để đảm bảo tính chính xác và phù hợp.
Tìm hiểu thêm 3 trang 53 KHTN 9: Từ định luật Joule Lenz và định luật Ohm, hãy
chứng minh rằng năng lượng của dòng điện trong một đoạn mạch được tính bằng công thức W = Ult. Lời giải:
Ở lớp 8 em đã biết, cường độ dòng điện qua đèn càng lớn thì đèn càng sáng. Khi
đó, năng lượng điện chuyển hoá thành năng lượng ánh sáng càng nhiều. Như vậy,
cường độ dòng điện càng lớn thì năng lượng của dòng điện càng lớn.
Năng lượng của dòng điện trong một đoạn mạch được tính bằng số đo lượng năng
lượng điện đã được chuyển hoá thành dạng năng lượng khác qua đoạn mạch đó. W = Ult
Tìm hiểu thêm trang 54 KHTN 9: Để khảo sát sự phụ thuộc năng lượng điện vào
cường độ dòng điện, được mô tả như sơ đồ hình 10.4. Giữ nguyên nhiệt lượng kế
và điện trở, trong cùng khoảng thời gian, ứng với các giá trị dòng điện khác nhau,
ông đo năng lượng nhiệt toả ra trên điện trở và cường độ dòng điện và kết quả cho
thấy năng lượng nhiệt tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện. Từ thí nghiệm, ông
rút ra kết luận: Năng lượng điện mà điện trở tiêu thụ tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện chạy qua.
Như vậy, bằng các thí nghiệm của mình, nhà bác học Joule đã chứng minh được
rằng: Trong trường hợp toàn bộ năng lượng điện chuyển hoá thành năng lượng
nhiệt, năng lượng của dòng điện trong một đoạn mạch có mối liên hệ với cường độ
dòng điện, điện trở và thời gian dòng điện đi qua đoạn mạch đó.
Độc lập với Joule, kết quả trên cũng được nhà vật lí người Nga Heinrich Lenz tim ra
bằng thực nghiệm. Mối liên hệ đó được thể hiện bằng định luật Joule - Lenz: Nhiệt
lượng toả ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương
cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện đi qua đoạn mạch đó. Q = I2Rt.
Từ định luật Joule - Lenz và định luật Ohm, các nhà bác học đã suy ra công thức
tính năng lượng của dòng điện. Công thức này đã được kiểm tra bằng thực nghiệm
và nghiệm đúng trong các trường hợp khác.
Em hãy tìm hiểu vai trò của biến trở ở thí nghiệm hình 10.4. Lời giải: Vai trò của biến trở:
Biến trở trong mạch điện có thể được điều chỉnh để thay đổi cường độ dòng điện.
Khi biến trở được điều chỉnh, cường độ dòng điện trong mạch cũng thay đổi theo.
Sự thay đổi này ảnh hưởng đến năng lượng điện mà mạch tiêu thụ. Biến trở giúp
chúng ta điều chỉnh cường độ dòng điện và từ đó nghiên cứu mối quan hệ giữa
cường độ dòng điện và năng lượng điện tiêu thụ trong mạch điện.
Luyện tập 1 trang 54 KHTN 9: Một học sinh mắc dây điện trở của nhiệt lượng kế
với hai cực của nguồn điện như hình 10.5. Biết rằng, các giá trị hiển thị trên màn
hình của nguồn điện là cường độ dòng điện chạy trong mạch và hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn.
Tính năng lượng của dòng điện trong 10 phút làm thí nghiệm. Lời giải:
Đổi 10 phút = 10.60 = 600 s
Ta có: W=Ult; U = 6,0 V; I = 1,19 A
Thay số: W = 6,0.1,19.600 = 4284 J
Câu hỏi 3 trang 55 KHTN 9: Xét trường hợp đoạn mạch có điện trở R, hãy chứng
tỏ rằng công suất điện của đoạn mạch đó có thể được tính theo 2 công thức: Lời giải:
Câu hỏi 4 trang 55 KHTN 9: Trên một bóng đèn có ghi 12 V – 3 W. Để bóng đèn
sáng bình thường thì cần đặt vào hai đầu bóng đèn một hiệu điện thế bằng bao
nhiêu? Khi đó, trong một giây, bóng đèn tiêu thụ một năng lượng điện là bao nhiêu? Lời giải:
- Để bóng đèn sáng bình thường thì cần đặt vào hai đầu bóng đèn một hiệu điện thế: 12 V
- Trong một giây, bóng đèn tiêu thụ một năng lượng điện: 3 W
Luyện tập 2 trang 55 KHTN 9: a) Hãy trả lời câu hỏi ở phần mở đầu.
b) Nếu chiếc quạt ở hình 10.1 được cấp nguồn điện 5 V thì trong 30 phút, chiếc quạt
đó sẽ tiêu thụ năng lượng điện bao nhiêu jun? Lời giải: a)
Các thiết bị điện khi hoạt động sẽ chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng
khác theo nguyên tắc chuyển đổi năng lượng. Trong trường hợp của quạt điện có
thông số 5V - 4W, giải thích như sau:
- Điện áp 5V cho biết lượng năng lượng điện được cung cấp cho quạt.
- Công suất 4W là lượng công việc mà quạt có khả năng thực hiện, hay nói cách
khác, là năng lượng mà quạt chuyển đổi từ dạng điện thành các dạng năng lượng
khác (ví dụ, năng lượng cơ khí để quay cánh quạt và tạo gió).
- Quá trình chuyển đổi năng lượng:
+ Năng lượng điện từ nguồn 5V sẽ được chuyển đổi thành cơ năng khi quạt quay.
+ Có thể có một phần năng lượng còn lại chuyển đổi thành nhiệt nếu có sự tổn thất
năng lượng do ma sát và các yếu tố khác.
b) Đổi 30 phút = 30.60 = 1800 s
Ta có: W=Ult=℘.t ; ℘ = 4 W Thay số: W = 4.1800 = 7200 J
Vận dụng trang 55 KHTN 9: Một hãng xe điện thử nghiệm hai loại xe đạp điện có
công suất định mức khác nhau. Họ cho hai xe chạy trên cùng một quãng đường với
công suất định mức. Em hãy nêu những dụng cụ em cần dùng và cách làm để biết
xe nào tiêu thụ năng lượng điện nhiều hơn khi đi hết quãng đường thử nghiệm. Lời giải:
Để biết xe nào tiêu thụ nhiều năng lượng điện hơn khi đi hết quãng đường thử
nghiệm, em cần chuẩn bị những dụng cụ sau và thực hiện theo các bước đơn giản:
1. Dụng cụ cần sử dụng: Đồng hồ đo thời gian 2. Cách thực hiện:
- Bước 1: Khởi động đồng hồ đo thời gian khi cả hai xe bắt đầu chạy trên quãng đường thử nghiệm.
- Bước 2: Dừng đồng hồ khi cả hai xe đi hết quãng đường thử nghiệm.
- Bước 3: So sánh thời gian mà hai xe mất để hoàn thành quãng đường.
- Bước 4: Xe nào mất thời gian ít hơn, tức là đi nhanh hơn, có khả năng tiêu thụ ít năng lượng hơn.