Đáp án vật lí 11 chân trời sáng tạo Bài 16. Dòng điện và cường độ dòng điện

BÀI 16. DÒNG ĐIỆN VÀ CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN

I. KHÁI NIỆM DÒNG ĐIỆN

II. CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN

Thảo luận 1 trang 99 sgk vật lý 11 ctst

Dựa vào bộ dụng cụ trong Hình 16.2, em hãy đề xuất phương án thí nghiệm khác để kiểm chứng tính mạnh yếu của dòng điện. Tiến hành thí nghiệm (nếu có điều kiện).

Đáp án:

* Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như sơ đồ trong Hình 16.3.

Bước 2: Đóng khoá K, điều chỉnh biến trở. Ứng với mỗi giá trị của biến trở, ghi nhận giá trị cường độ dòng điện được đo bởi ampe kế và nhận xét về độ sáng của bóng đèn.

* Báo cáo kết quả thí nghiệm:

Nhận xét về mối liên hệ giữa độ sáng của đèn và số chỉ của ampe kế khi thay đổi giá trị của biển trở, Biến trở tăng thì cường độ dòng điện giảm, độ sáng bóng đèn giảm và ngược lại.

Thảo luận 2 trang 100 sgk vật lý 11 ctst

Khi nói về dòng điện, chúng ta thường nhắc tới chiều của nó. Theo em, cường độ dòng điện I là đại lượng vectơ hay vô hướng?

Đáp án:

Ta có: I=Δq/Δt vì cả Δq,Δt đều là đại lượng vô hướng nên cường độ dòng điện I là đại lượng vô hướng. Chúng ta thường nói đến chiều dòng điện, thực chất là chỉ chiều của dòng điện dọc theo dây dẫn, chứ không phải là chiều trong không gian.

Thảo luận 3 trang 100 sgk vật lý 11 ctst

Dựa vào công thức (16.1), hãy lập luận để dẫn dắt ra định nghĩa đơn vị đo điện lượng culông.

Đáp án:

Từ công thức I=Δq/Δt, ta thấy cường độ dòng điện được định nghĩa thông qua tỉ số giữa điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng và khoảng thời gian để thực hiện sự dịch chuyển đó.

Trong chương trình môn Khoa học tự nhiên 8, các em đã được học đơn vị của cường độ dòng điện trong hệ SI (A) đơn được chọn là đơn vị cơ bản, do đó đơn vị của điện tích (C) được định nghĩa lại như sau: 1 culông (1 C) là điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong 1 s khi có dòng điện không đổi cường độ 1 A chạy qua.

1C= 1A.1s = 1As

Luyện tập trang 101 sgk vật lý 11 ctst

Hãy so sánh cường độ của hai dòng điện không đổi sau:

Dòng điện 1: Cứ mỗi giây có 1,25.1019 hạt electron chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn.

Dòng điện 2: Cứ mỗi phút có điện lượng 150 C chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn.

Đáp án:

Dòng điện 1 có cường độ dòng điện là: I1 = Δq/Δt = 1,25.10¹⁹.1,6.10⁻¹⁹ = 2A

Dòng điện 2 có cường độ dòng điện là: I2 = Δq/Δt = 150/60 = 2,5A

⇒ Dòng điện 2 có cường độ dòng điện lớn hơn.

Vận dụng trang 101 sgk vật lý 11 ctst

Mỗi khi trời mưa hay giông bão thường kèm theo các tia sét, đó là các dòng điện phóng từ đám mây xuống mặt đất với cường độ trung bình cỡ 300 000 A. Tia sét kéo dài 1,5 s. Hãy tính điện lượng đã di chuyển giữa đám mây và mặt đất trong mỗi tia sét.

Đáp án:

Điện lượng đã di chuyển giữa đám mây và mặt đất trong mỗi tia sét là:

Q = I.t = 300000.1,5 = 450000(C)

III. VẬN TỐC TRÔI

Thảo luận 4 trang 101 sgk vật lý 11 ctst

Vì sao khi chưa có điện trường ngoài, các hạt tải điện trong dây dẫn chuyển động nhiệt không ngừng với tốc độ cỡ 10⁶ m/s mà không có dòng điện trong dây dẫn?

Đáp án:

Chính vì độ lớn vận tốc trôi (tốc độ trôi) có giá trị rất nhỏ nên dễ làm cho ta cảm thấy có sự mâu thuẫn với việc đèn sáng gần như “tức thì” ngay sau khi bật công tắc.

Điều này là do nhầm lẫn giữa tốc độ trôi của các electron và tốc độ lan truyền điện trường trong dây dẫn (cỡ tốc độ ánh sáng). Vì thế, ngay khi vừa bật công tắc thì tất cả các electron hầu như dịch chuyển cùng lúc.

Để dễ hiểu hơn, ta hình dung điều này tương tự như khi chúng ta mở van ống nước để tưới cây trong khi ống đang đầy nước, một sóng áp suất chạy dọc theo ống với tốc độ của âm trong nước nên khoảng thời gian "trễ" từ khi mở vòi đến khi có nước phun ra từ đầu ống chính là thời gian sóng âm truyền từ van đến đầu ống, trong khi tốc độ chảy của nước thì chậm hơn. Ta có thể kiểm chứng điều này dễ dàng bằng cách dùng ống trong suốt và nhuộm màu phần nước gần đầu van.

Thảo luận 5 trang 102 sgk vật lý 11 ctst      

Kết quả tính toán trong ví dụ cho thấy độ lớn vận tốc trôi rất nhỏ (cỡ 0,04 mm/s). Điều này có mâu thuẫn gì với hiện tượng đèn gần như sáng “tức thì” ngay khi bật công tắc hay không?

Đáp án:

Chính vì độ lớn vận tốc trôi (tốc độ trôi) có giá trị rất nhỏ nên dễ làm cho ta cảm thấy có sự mâu thuẫn với việc đèn sáng gần như “tức thì” ngay sau khi bật công tắc.

Điều này là do nhầm lẫn giữa tốc độ trôi của các electron và tốc độ lan truyền điện trường trong dây dẫn (cỡ tốc độ ánh sáng). Vì thế, ngay khi vừa bật công tắc thì tất cả các electron hầu như dịch chuyển cùng lúc.

Để dễ hiểu hơn, ta hình dung điều này tương tự như khi chúng ta mở van ống nước để tưới cây trong khi ống đang đầy nước, một sóng áp suất chạy dọc theo ống với tốc độ của âm trong nước nên khoảng thời gian "trễ" từ khi mở vòi đến khi có nước phun ra từ đầu ống chính là thời gian sóng âm truyền từ van đến đầu ống, trong khi tốc độ chảy của nước thì chậm hơn. Ta có thể kiểm chứng điều này dễ dàng bằng cách dùng ống trong suốt và nhuộm màu phần nước gần đầu van.

Bài tập 1 trang 102 sgk vật lý 11 ctst

Một ống chứa khí hydrogen bị ion hoá đặt trong điện trường mạnh giữa hai điện cực làm xuất hiện dòng điện. Các electron chuyển động về cực dương, các proton chuyển động về cực âm. Biết mỗi giây có 3,1.10¹⁸ electron và 1,1.10¹⁸ proton chuyển động qua một tiết diện của ống. Hãy tính cường độ dòng điện và xác định chiều của nó.

Đáp án:

Ta có, chiều dòng điện trong ống phóng điện là từ cực dương sang cực âm của ống.

Cường độ dòng điện qua ống:

I = q/t = [(ne+np)e]/t = [(3,1.10¹⁸+1,1.10¹⁸).1,6.10⁻¹⁹]/1 = 0,672A

Bài tập 2 trang 102 sgk vật lý 11 ctst

Một quả cầu bằng đồng cô lập. Một dây dẫn kim loại mang dòng điện đi vào nó và một dây dẫn kim loại khác mang dòng điện đi ra khỏi nó. Biết cường độ dòng điện đi vào lớn hơn cường độ dòng điện đi ra khỏi quả cầu là 2 μA.

1. a) Hỏi số electron của quả cầu tăng hay giảm theo thời gian?
2. b) Tính thời gian để quả cầu tăng (hoặc giảm) một lượng 1 000 tỉ electron.

 Đáp án:

1. a) Vì cường độ dòng điện đi vào lớn hơn cường độ dòng điện đi ra khỏi quả cầu là 2 μA nên số electron của quả cầu giảm theo thời gian.
2. b) Thời gian để quả cầu giảm một lượng 1 000 tỉ electron là:

t = = = 0,08s

Bài tập 3  trang 102 sgk vật lý 11 ctst

Cho dòng điện 4,2 A chạy qua một đoạn dây dẫn bằng kim loại dài 80 cm có đường kính tiết diện 2,5 mm. Mật độ electron dẫn của kim loại này là 8,5.10²⁸ electron/m3. Hãy tính thời gian trung bình mỗi electron dẫn di chuyển hết chiều dài đoạn dây.

Đáp án:

Ta có: I = nSve ⇒ v = I/nSe            

 ≈3,5h

Hơn 3 tiếng rưỡi, electron dẫn mới đi được đoạn đường dài 80 cm.