Bài 12. Thực hành: Xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hóa sgk Vật Lí 11

Nội Dung

Hướng dẫn giải Bài 12. Thực hành: Xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hóa sgk Vật Lí 11.

THÍ NGHIỆM

I. Mục đích

– Áp dụng biểu thức hiệu điện thế của đoạn mạch chứa nguồn điện và định luật Ohm đối với toàn mạch để xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hóa.

– Sử dụng các đồng hồ đo điện vạn năng để đo các đại lượng trong mạch điện (đo U và I)

II. Cơ sở lý thuyết

Định luật Ôm cho đoạn mạch chứa nguồn điện:

${\rm{ }}U = E{\rm{ }}-{\rm{ }}I({R_0} + {\rm{ }}r).$

Mặc khác: $U = {\rm{ }}I({\rm{ }}R + {R_A})$

Suy ra :

$I = {I_A} = \frac{E}{{R + {R_A} + {R_0} + r}}$

Với R_A, R là điện trở của ampe kế và của biến trở. Biến trở dùng để điều chỉnh điện áp và dòng điện

Trong thí nghiệm ta chọn R_O khoảng 20Ω để cường độ dòng điện qua pin không quá 100 mA

Ta đo R_A bằng cách dùng đồng hồ vạn năng ở thang đo DC; đo hiệu điện thế giữa hai cực của Ampe kế và cường độ dòng điện qua mạch $ \to $ R_A . Tiến hành đo R_O tương tự.

Ta xác định E và r theo hai phương án sau:

1. Phương án 1

a) Thực hiện đo các giá trị U và I tương ứng khi thay đổi R, ta vẽ đồ thị mô tả mối quan hệ đó, tức:

$U = f(I)$

$U = {\rm{ }}E-I({R_0} + {\rm{ }}r)$

b) Ta xác định U_O và I_m là các điểm mà tại đó đường kéo dài của đồ thị $U = f(I)$ cắt trục tung và trục hoành:

$U = E – I({R_0} + r) \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}
\,\,I = 0 \Rightarrow U = {U_0} = E\,\,\,\,\,\,\,\,\\
U = 0 \Rightarrow I = {I_m} = \frac{E}{{{R_0} + r}}
\end{array} \right. \Rightarrow E,r$

2. Phương án 2

a) Từ $I = \frac{E}{{R + {R_A} + {R_0} + r}}$

$\Rightarrow \,\,\frac{1}{I} = \frac{1}{E}(R + {R_A} + {R_0} + r)$

Đặt: $y = \frac{1}{I};\,\,\,\,x = R;\,\,\,\,\,\,b = {R_A} + {R_0} + r$

$\Rightarrow y = \frac{1}{E}(x + b)$

b) Căn cứ các giá trị của R và I trong phương án 1, ta tính các giá trị tương ứng của x và y

c) Vẽ đồ thị $y = f(x)$ biểu diễn gián tiếp mối liên hệ giữa I và R.

d) Xác định tọa độ của xm và yO là các điểm mà đồ thị trên cắt trục hoành và trục tung

$\left\{ \begin{array}{l}
y = 0 \Rightarrow {x_m} = – b = – (R + {R_A} + r) \Rightarrow r\\
x = 0 \Rightarrow {y_0} = \frac{b}{E} \Rightarrow E
\end{array} \right.$

1. Trả lời câu hỏi C1 trang 64 Vật Lý 11

Hãy nói rõ chức năng hoạt động của miliampe kế A, biến trở $R$, và điện trở bảo vệ $R_0$ mắc trong mạch điện trên Hình 12.2

Trả lời:

Trong mạch điện trên hình 12.2, miliampe kế A để đo cường độ dòng điện I.

– Biến trở $R$: có điện trở thay đổi được, mỗi giá trị của R cho ta giá trị tương ứng của U và I, giúp cho phép đo đạt độ chính xác cao.

– Điện trở bảo vệ $R_0$ được chọn có giá trị thích hợp để dòng điện qua pin điện hóa có cường độ đủ nhỏ, khi đó giá trị của điện trở trong r hầu như không thay đổi.

2. Trả lời câu hỏi C2 trang 64 Vật Lý 11

Tại sao khi mắc một vôn kế V có điện trở không lớn vào hai đầu đoạn mạch MN thì cường độ dòng điện I trong đoạn mạch lại tăng lên và hiệu điện thế U giữa hai đầu đoạn mạch này lại giảm nhỏ?

Trả lời:

Khi mắc một vôn kế V có điện trở không lớn vào hai đầu MN thì một phần dòng điện sẽ qua vôn kế.

Cường độ dòng điện qua nguồn: $I = \dfrac{E}{{r + {R_0} + {R_{MN}}}}$

Vì ${R_{MN}} = \dfrac{{{R_V}\left( {{R_A} + R} \right)}}{{{R_V} + \left( {{R_A} + R} \right)}}$ giảm nên I tăng lên.

Khi đó: ${U_{MN}} = E – I\left( {{R_0} + r} \right)$ sẽ giảm.

III. Dụng cụ thí nghiệm

Bộ thí nghiệm “Dòng điện không đổi” với các dụng cụ sau:

– Pin cũ, pin mới cần xác định.

– Biến trở núm xoay (có giá trị từ 10 – 100Ω).

– Hai đồng hồ đo điện đa năng hiện số: dùng làm DCmA và DCV.

– Điện trở bảo vệ RO có giá trị khoảng 820 Ω. Và RA khoảng 5,5 Ω

– Bộ dây dẫn.

– Khóa điện.

– Bảng điện.

3. Trả lời câu hỏi C3 trang 66 Vật Lý 11

Tại sao không được phép dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện của đồng hồ đo điện đa năng hiện số để đo hiệu điện thế trong mạch điện?

Trả lời:

Để đo cường độ dòng điện chính xác thì miliampe kế phải có điện trở rất nhỏ và mắc nối tiếp với mạch điện.

Để đo hiệu điện thế chính xác thì vôn kê phải có điện trở rất lớn và mắc song song với mạch điện.

Vì vậy không được phép dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện để đo hiệu điện thế trong mạch.

IV. Tiến trình thí nghiệm

Mắc mạch điện như hình vẽ:

Chú ý:

– Ampe kế và Volt kế ở trạng thái tắt.

– Khóa K ở vị trí tắt.

– Biến trở R ở vị trí $100\Omega $

– Không chuyển đổi chức năng của thang đo của đồng hồ khi có dòng điện chạy qua nó.

– Không dùng nhằm thang đo I mà đo U.

– Khi thao tác xong các phép đo, phải tắt các thiết bị.

– Khi giá trị của đồng hồ hiện giá trị âm, phải đổi chiều của chuôi cắm lại.

4. Trả lời câu hỏi C4 trang 66 Vật Lý 11

Trong mạch điện hình 12.3, nếu để biến trở R hở mạch, thì số chỉ của vôn kế V sẽ bằng bao nhiêu? Số chỉ này có đúng bằng giá trị suất điện động ζ của pin điện hóa mắc trong mạch điện không?

Trả lời:

Nếu để biến trở R hở mạch thì số chỉ của vôn kế V sẽ gần bằng suất điện động E của nguồn.

Số chỉ này không đúng bằng giá trị suất điện động E của pin điện hóa mắc trong mạch vì vẫn có một dòng điện rất nhỏ qua vôn kế V.

5. Trả lời câu hỏi C5 trang 67 Vật Lý 11

Phải vẽ đường biểu diễn của đồ thị $U=f(I)$ như thế nào để phù hợp với phép tính giá trị trung bình (thống kê) đối với các giá trị $I$ và $U$ được ghi trong bảng thực hành 12.1

Trả lời:

Đường biểu diễn của đồ thị $U = f(I)$ phải đi qua tất cả các hình chữ nhật sai số, đồ thị không được gấp khúc, nếu có điểm nào làm cho đường biểu diễn bị gấp khúc thì phải bỏ đi và làm lại thí nghiệm xác định giá trị đó.

BÁO CÁO THỰC HÀNH

Họ và tên: … Lớp: … Tổ: …

1. Tên bài thực hành

Xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hóa.

2. Bảng thực hành 12.1

Giá trị: R₀ = 20 (ω), R_A = 1,98 (ω)
x = R (ω)	I (10^-3A )	U (V)	y = $\frac{1}{T}$ (A^-1)
100	1,26	1,30	80
90	1,41	1,27	71
80	1,53	1,25	65
70	1,72	1,22	58
60	1,91	1,18	52
50	2,20	1,11	46
40	2,53	1,05	41
30	3,02	0,95	34

• Phương án thứ nhất:

a) Vẽ đồ thị U = f(I) trên giấy kẻ vuông (khổ A4) với tỉ xích thích hợp, hoặc vẽ trên máy vi tính, trong Microsoft Excel.

b) Nhận xét và kết luận:

– Dạng của đồ thị U = f(I) có giống với Hình 12.5

– Hệ thức (12.1) đối với đoạn mạch chứa nguồn điện có nghiệm đúng

c) Xác định tọa độ U₀ và I_m của các điểm tại đó đường kéo dài của đồ thị U = f(I) cắt trục tung và trục hoành:

$I = 0 ⇒ U_0 = ζ = 1,577 (V)$

$U = 0 ⇒ I_m = \frac{ζ}{R_0 + r} = 0,075 A$

Từ đó suy ra: $ζ = 1,577 (V), r = 1,02 (ω)$

• Phương án thứ hai:

a) Tính các giá trị tương ứng của y và x trong bảng thực hành 12.1

b) Vẽ đồ thị y = f(x) trên giấy kẻ ô vuông (khổ A4) với tỉ xích thích hợp, hoặc vẽ trên máy vi tính, trong Microsoft Excel.

Giải bài tập Vật Lý 11 | Giải Lý 11

c) Nhận xét và kết luận:

– Dạng của đồ thị y = f(x) có giống với Hình 12,6

– Định luật Ôm đối với toàn mạch (Hệ thức 12.2) có được nghiệm đúng

d) Xác định tọa độ x_m và y₀ của các điểm đó đường kéo dài của đồ thị y = f(x) cắt trục tung và trục hoành:

y = 0 ⇒ x_m = -b = – (R_A + R₀ + r ) = -(20 + 1,98 + r) = -23 (ω)

$x = 0 ⇒ y_0 = \frac{b}{ζ} = \frac{23}{ζ} = 14,58 $

Từ đó suy ra: $ζ = 1,577 (V), r = 1,02 (ω)$

CÂU HỎI

❓

1. Giải bài 1 trang 70 Vật Lý 11

Vẽ mạch điện và mô tả phương pháp xác định suất điện động và điện trở trong của pin điện hóa theo phương án thứ nhất trong thí nghiệm này.

Trả lời:

Vẽ mạch điện:

Giải bài tập Vật Lý 11 | Giải Lý 11

Thực hiện đo các giá trị $U$ và $I$ tương ứng khi thay đổi $R$.

Vẽ đồ thị mô tả mối quan hệ đó, tức $U = f(I)$.

Áp dụng phương pháp xử lí kết quả đo được bằng đồ thị, ta vẽ được đường biểu diễn.

Ở đây dự đoán là một đường thẳng có dạng $y = ax + b$. Đường thẳng này sẽ cắt trục tung tại $U_0$ và cắt trục hoành tại $I_m$. Xác định giá trị của $U_0$ và $I_m$ trên các trục.

Đồ thị vẽ được có dạng như hình sau:

Giải bài tập Vật Lý 11 | Giải Lý 11

Theo phương trình đồ thị, dựa vào công thức của định luật ôm cho toàn mạch:

Ta có: $U = E – I.(R_0 + r)$

Khi $I = 0$ ⇒ $U_0= E$

Khi $U_0=0$ ⇒ $I=I_m=\dfrac{E}{R_0+r}$

Từ đó ta tính được $E$ và $r=\dfrac{E-I_mR_0}{I_m}$

2. Giải bài 2 trang 70 Vật Lý 11

Vẽ mạch điện và mô tả phương pháp xác định suất điện động và điện trở trong của pin điện hóa theo phương án thứ hai trong thí nghiệm này.

Trả lời:

– Từ: $I=I_A=\dfrac{E}{R+R_A+R_0+r}$

Suy ra: $\dfrac{1}{I}=\dfrac{1}{E}(R+R_A+R_0+r)$

Đặt: $y=\dfrac{1}{I}; x=R$, $b=R_A+R_0+r$

Suy ra $y=\dfrac{1}{E}(x+b)$

– Căn cứ các giá trị của R và I trong phương án 1, ta tính các giá trị tương ứng của x và y.

– Vẽ đồ thị $y = f (x)$ biểu diễn gián tiếp mối liên hệ giữa I và R.

– Xác định tọa độ của $x_m$ và $y_0$ là các điểm mà đồ thị trên cắt trục hoành và trục tung.

$y=0$ suy ra $x_m=-b=-(R_A+R_0+r)$ suy ra $r$

$x=0$ suy ra $y_0=\dfrac{b}{E}$ suy ra $E$

Giải bài tập Vật Lý 11 | Giải Lý 11

3. Giải bài 3 trang 70 Vật Lý 11

Muốn sử dụng đồng hồ đo điện đa năng hiện số làm chức năng miliampe kế hoặc vôn kế một chiều, ta phải làm như thế nào?

Nếu những điểm cần chú ý thực hiện khi sử dụng đồng hồ này.

Trả lời:

♦ Cách sử dụng đồng hồ đo điện đa năng hiện số:

– Vặn núm xoay của đồng hồ đa năng đến vị trí tương ứng với chức năng và thang đo cần chọn.

– Nối các cực của đồng hồ vào mạch rồi gạt núm bật – tắt (ON – OFF) sang vị trí “ON” để các chừ số hiên thị trên màn hình của nó.

♦ Những điều cần lưu ý:

– Nếu chưa biết rõ giá trị giới hạn của đại lượng cần đo, phải chọn thang đo có giá trị lớn nhất phù hợp với chức năng đã chọn.

– Không đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế vượt quá giới hạn thang đo đã chọn.

– Không chuyển đổi chức năng thang đo khi có dòng điện chạy qua đồng hồ.

– Không dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện để đo hiệu điện thế và ngược lại.

– Khi sử dụng xong các phép đo phải gạt nút bật – tắt về vị trí “OFF”.

– Phải thay pin 9V cho đồng hồ khi pin yếu.

– Phải tháo pin ra khỏi đồng hồ khi không sử dụng trong thời gian dài.

4. Giải bài 4 trang 70 Vật Lý 11

Tại sao có thể mắc nối tiếp vôn kế với pin điện hóa thành mạch kín để đo hiệu điện thế U giữa hai cực của pin, nhưng không được mắc nối tiếp miliampe kế với pin này thành mạch kín để đo cường độ dòng điện chạy qua pin ?

Trả lời:

– Vôn kế có điện trở rất lớn nên dòng điện qua vôn kế rất nhỏ không ảnh hưởng đến số đo.

– Miliampe kế có điện trở rất nhỏ nên dòng điện qua miliampe kế rất lớn sẽ ảnh hưởng nhiều đến dòng điện cần đo làm cho kết quả thí nghiệm không chính xác.

5. Giải bài 5 trang 70 Vật Lý 11

Tại sao cần phải mắc thêm điện trở bảo vệ $R_0$ nối tiếp với pin điện hóa trong mạch điện ?

Trả lời:

Mắc thêm điện trở bảo vệ $R_0$ nối tiếp với pin điện hóa trong mạch điện để cho dòng điện chạy qua pin điện hóa có cường độ đủ nhỏ sao cho chất oxi hóa có thời gian khử kịp sự phân cực của pin. Khi đó giá trị điện trở trong r hầu như không thay đổi.

6. Giải bài 6 trang 70 Vật Lý 11

Với các dụng cụ thí nghiệm đã cho trong bài này, ta có thể tiến hành thí nghiệm theo những phương án nào khác nữa?

Trả lời:

Mắc mạch điện như hình vẽ bên:

Ta có: $U_{MN} = E – I.r$

Thay đổi các giá trị điện trở của biến trở $R$ đề tìm giá trị của $U$ và $I$.

Sau đó tiến hành các bước giống phương án thứ nhất để tìm $E$ và $r$.

Giải bài tập Vật Lý 11 | Giải Lý 11

Bài trước:

Giải bài 1 2 3 trang 62 sgk Vật Lí 11

Bài tiếp theo:

Giải bài 1 2 3 4 5 6 7 8 9 trang 78 sgk Vật Lí 11

Xem thêm:

Trên đây là phần Hướng dẫn giải Bài 12. Thực hành: Xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hóa sgk Vật Lí 11 đầy đủ, ngắn gọn và dễ hiểu nhất. Chúc các bạn làm bài môn Vật lý 11 tốt nhất!

“Bài tập nào khó đã có giaibaisgk.com“