Đang tải... (xem toàn văn)
“CÔNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI VẬT LÍ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG” là bộ sách được biên soạn trên cơ sở bộ sách “Bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Trung học phổ thông” của cùng nhóm tác giả và được bổ sung, cập nhật các nội dung bồi dưỡng học sinh giỏi theo chương trình quy định mới của Bộ Giáo dục và Đào tạo. Bộ sách là tài liệu dùng cho học sinh khá giỏi, học sinh các lớp chuyên Vật lí, các thầy cô giáo dạy Vật lí ở các trường Trung học phổ thông. Bộ sách gồm 7 cuốn: 1, Công phá đề thi học sinh giỏi Vật lí 10, tập I và II. 2, Công phá đề thi học sinh giỏi Vật lí 11, tập I và II. 3, Công phá đề thi học sinh giỏi Vật lí 12, tập I, II và III. Về cấu trúc, mỗi cuốn sách đều được chia thành các phần lớn, trong mỗi phần gồm nhiều chuyên đề, mỗi chuyên đề là một nội dung kiến thức trọn vẹn. Mỗi chuyên đề gồm các phần:
Chun đề 8: ĐỊNH LUẬT ƠM CHO TỒN MẠCH – ĐỊNH LUẬT ƠM TỔNG QT - A-TĨM TẮT KIẾN THỨC I ĐỊNH LUẬT ƠM CHO MẠCH KÍN (TỒN MẠCH) 1-Mạch kín (gồm nguồn điện trở thuần) E, r E I= (8.1) R+r (R điện trở mạch ngoài; E, r suất điện động điện trở nguồn) 2-Mạch kín gồm nguồn điện máy thu mắc nối tiếp với điện trở I R E, r E-E' (8.2) R+r+r' I (R điện trở tương đương mạch ngoài; E, r suất Nguồn điện điện động điện trở nguồn; E’, r’ suất điện E’, r’ động điện trở máy thu điện với quy ước: I nguồn dòng điện vào từ cực âm từ cực Máy thu dương; máy thu dòng điện vào từ cực dương từ cực âm) 3-Mạch kín gồm nhiều nguồn giống (E, r) mắc thành điện trở I= I= Eb R+rb (8.3) (R điện trở tương đương mạch ngoài; E b, rb suất điện động điện trở nguồn) +Nếu n nguồn giống mắc nối tiếp thì: Eb = nE; rb = nr r n +Nếu N nguồn giống mắc hỗn hợp đối xứng thành m dãy, dãy có n nguồn thì: E b = nE; +Nếu n nguồn giống mắc song song thì: Eb = E; rb = E, r nr rb = m E, r E, r E, r E, r E, r E, r E, r E, r E, r E, r Nối tiếp E, r Song song E, r E, r E, r Hỗn hợp đối xứng II ĐỊNH LUẬT ÔM CHO CÁC LOẠI ĐOẠN MẠCH (TỔNG QUÁT) 1-Đoạn mạch chứa nguồn điện nối tiếp với điện trở ThS NGUYỄN PHÚ ĐỒNG, CÔNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI – VẬT LÍ 11, TẬP 1 U AB +E (8.4) R+r (UAB hiệu điện tính theo chiều dòng điện: từ A đến B) 2-Đoạn mạch chứa máy thu điện điện trở I= U AB -E' (8.5) R+r' (UAB hiệu điện tính theo chiều dòng điện: từ A đến B) 3-Đoạn mạch gồm nguồn điện máy thu điện mắc nối tiếp với điện trở I= U AB +E-E' (8.6) R+r+r' (UAB hiệu điện tính theo chiều dịng điện: từ A đến B; E suất điện động nguồn điện, E’ suất phản điện máy thu điện; r điện trở nguồn điện, r’ điện trở máy thu điện) 4-Định luật Kiếc-xốp -Định luật Kiếc-xốp 1: Tổng đại số cường độ dòng điện nút Ik = (8.7) -Định luật Kiếc-xốp 2: Trong mắt mạch (mạch vòng), tổng đại số suất điện động tổng đại số độ giảm Ek = IkRk (8.8) (Ek mang dấu (+) nguồn điện (dòng điện vào từ cực dương từ cực âm) ngược lại; Ik mang dấu (+) dịng điện vào nút ngược lại) I= - B-NHỮNG CHÚ Ý KHI GIẢI BÀI TẬP VỀ KIẾN THỨC VÀ KỸ NĂNG -Các định luật Ơm cho tồn mạch định luật Ơm tổng quát xây dựng phương pháp lượng: +Định luật Ơm cho tồn mạch: Xét mạch kín đơn giản gồm nguồn điện (E, r) mạch (R) Ta có: *Cơng nguồn điện thực thời gian t: A = EIt *Nhiệt lượng tỏa toàn mạch thời gian t: Q = (R+r)I2t *Theo định luật bảo tồn lượng, ta có: A = Q EIt = (R+r)I2t E R+r +Định luật Ôm tổng quát: Xét đoạn mạch đơn giản gồm nguồn điện (E, r); máy thu điện (E’, r’); mạch (R) *Công nguồn điện thực thời gian t: A = EIt *Năng lượng tiêu thụ máy thu điện điện trở: W1 = E’It + (R+r+r’)I2t *Năng lượng cung cấp cho mạch ngoài: W2 = UIt *Theo định luật bảo tồn lượng, ta có: A = W1 + W2 EIt = E’It + (R+r+r’)I2t + UIt => I= => I= U AB +E-E' ; UAB = -U, chiều dòng điện từ A đến B R+r+r' ThS NGUYỄN PHÚ ĐỒNG, CÔNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI – VẬT LÍ 11, TẬP -Nếu điện trở mạch ngồi khơng đáng kể (R 0) cường độ dịng điện mạch kín có E ), ta nói nguồn điện bị đoản mạch Khi có tượng đoản mạch, r nguồn điện bị hỏng (một chiều) gây cháy nổ, hỏa hoạn nguy hiểm (xoay chiều) Để tránh tượng thực tế người ta dùng cầu chì atômat -Nếu mạch điện gồm nhiều nguồn nhiều máy thu điện mắc nối tiếp công thức ta thay E, E’, r r’ E, E’, r r’, với E tổng suất điện động nguồn điện, E’ tổng suất phản điện máy thu điện; r tổng điện trở nguồn điện, r’ tổng điện trở máy thu điện) Định luật Ơm cho tồn mạch định luật Ơm tổng quát có dạng tổng quát sau: giá trị lớn (I = I= ΣE-ΣE'E-ΣE-ΣE'E' R+ΣE-ΣE'r+ΣE-ΣE'r' U AB +E-E' , với R điện trở tương đương mạch R+r+r' -Trường hợp có n nguồn khác mắc song song ta coi nguồn tương đương với nguồn (E, r) với: Và I= 1 1 E E E E = + + + ; = + + + n r r1 r2 rn r r1 r2 rn Và U= E r 1 + R r , U hiệu điện hai cực (+ -) nguồn tương đương -Khi áp dụng định luật Ôm cần chọn chiều dòng điện mạch (nếu đề chưa cho), xác định nguồn điện, máy thu theo quy ước: dòng điện vào từ cực âm, từ cực dương nguồn điện; dịng điện vào từ cực dương, từ cực âm máy thu -Thực chất định luật Ôm suy từ định luật Ôm tổng quát: I = U AB +E-E' Cụ R+r+r' thể: +Đoạn mạch có R: I = +Mạch kín: I = U AB ; E = 0, E’ = 0, r = 0, r’ = R E-E' ; UAB = R+r+r' VỀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI Với dạng tập định luật Ôm cho tồn mạch (mạch kín) Phương pháp giải là: -Chọn chiều dịng điện mạch (nếu đề chưa cho) thích hợp Cụ thể: +Nếu mạch kín có nhiều nguồn mắc nối tiếp chọn dịng điện để nguồn nguồn điện (dòng điện vào nguồn từ cực âm, khỏi nguồn từ cực dương) +Nếu mạch kín gồm nhiều nguồn mắc xung đối (cực tên nối với nhau) chọn dịng điện cho nguồn nguồn điện có tổng suất điện động lớn tổng suất phản điện nguồn máy thu điện -Áp dụng định luật Ơm cho tồn mạch (mạch kín): I = ΣE-ΣE'E R+ΣE-ΣE'r ThS NGUYỄN PHÚ ĐỒNG, CÔNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI – VẬT LÍ 11, TẬP ( E tổng suất điện động nguồn, r tổng điện trở nguồn; R điện trở tương đương mạch ngoài) Eb -Một số ý: Khi áp dụng công thức I = cần ý trường hợp: R+rb +Trường hợp nguồn điện giống mắc với mắc với điện trở ngồi thì: *Nếu nguồn giống mắc nối tiếp thì: Eb = nE; rb=nr r *Nếu nguồn giống mắc song song thì: Eb = E; rb= n *Nếu nguồn giống mắc hỗn hợp đối xứng (m dãy, n nguồn/dãy) thì: Eb = nE; rb= nr m +Trường hợp nguồn điện khác mắc với mắc với điện trở ngồi thì: *Nếu nguồn mắc nối tiếp thì: Eb = E1+E2+ ; rb = r1+r2+ *Nếu nguồn mắc xung đối thì: Eb = E1 – E2 (E1 > E2); rb = r1+r2 *Nếu nguồn mắc song song coi nguồn tương đương với nguồn (E, r) với: 1 1 E E E E = + + + ; b = + + + n rb r1 r2 rn rb r1 r2 rn Và Eb rb U= , U hiệu điện hai cực (+ -) nguồn tương đương 1 + R r (Eb suất điện động nguồn, rb điện trở nguồn; R điện trở tương đương mạch ngồi) +Trường hợp mạch kín gồm nhiều nguồn điện nhiều máy thu mắc nối tiếp mắc với điện trở ngồi thì: ΣE-ΣE'E-E' R+ΣE-ΣE'r+r' ( E tổng suất điện động nguồn, r tổng điện trở nguồn; E’ tổng suất phản điện máy thu, r’ tổng điện trở máy thu; R điện trở tương đương mạch ngoài) Với dạng tập định luật Ôm cho loại đoạn mạch (tổng quát) Phương pháp giải là: -Xác định cấu trúc mạch điện vẽ lại mạch điện (nếu mạch điện phức tạp) -Chọn chiều dòng điện mạch (nếu đề chưa cho) thích hợp Theo chiều dịng điện xác định nguồn điện, máy thu điện mạch -Nếu mạch điện đơn giản (gồm nguồn điện, máy thu mắc nối tiếp): dùng cơng thức định luật Ơm cho loại đoạn mạch để giải -Nếu mạch điện phức tạp: thường dùng định luật Kiếc-xốp để giải, lúc cần ý xác định dấu I E theo quy ước nêu -Một số ý: +Khi giải, tính I < cần đổi lại chiều dịng điện cho đoạn mạch +Đoạn mạch có tụ điện khơng có dịng điện chạy qua +Cách xác định Eb, rb tương đương nguồn giống phần ý mục I= ThS NGUYỄN PHÚ ĐỒNG, CÔNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI – VẬT LÍ 11, TẬP +Với mạch điện phức tạp áp dụng định luật Kiếc-xốp để giải cần: *Xác định nút mạng, mắt mạng (vịng) liên quan đến lời giải tốn *Chọn chiều dòng điện mắt mạng (vòng) *Áp dụng hai định luật Kiếc-xốp với ý chiều dòng điện mắt mạng (vòng), dấu + (nguồn điện), dấu – (máy thu điện) -C-CÁC BÀI TẬP VẬN DỤNG ĐỊNH LUẬT ƠM CHO TỒN MẠCH 8.1 Đèn 3V - 6W mắc vào hai cực ac quy (E = 3V, r = 0,5) Tính điện trở đèn, cường độ, hiệu điện công suất tiêu thụ đèn Bài giải U đm 32 -Điện trở đèn: R = = = 1,5 Pđm -Cường độ dòng điện qua đèn: I = E = = 1,5A R+r 1,5+0,5 -Hiệu điện đèn: U = IR = 1,5.1,5 = 2,25V -Công suất tiêu thụ đèn: P = RI2 = 1,5.1,52 = 3,375W 8.2 Vôn kế mắc vào nguồn (E = 120V, r = 10) 119V Tính điện trở vơn kế Bài giải Gọi Rv điện trở vôn kế, I cường độ dòng điện qua mạch Ta có: U = IRv = E Rv R v +r rU 10.119 = = 1190 E-U 120-119 Vậy: Điện trở vôn kế Rv = 1190 8.3 Có 18 pin giống nhau, pin có e = 1,5V, r = 0,2 mắc thành dãy song song, dãy pin nối tiếp Điện trở R = 2,1 mắc vào hai đầu pin a)Tính suất điện động điện trở tương đương nguồn b)Tính cường độ qua R Bài giải a)Suất điện động điện trở tương đương nguồn pin -Suất điện động nguồn: Eb = 9e = 9.1,5 = 13,5V 9r0 9.0, 0,9 -Điện trở nguồn: rb = = => Rv = R b)Cường độ dòng điện qua R Eb 13,5 = = 4,5A Ta có: I = R+rb 2,1+0,9 Vậy: Cường độ dòng điện qua R I = 4,5A 8.4 Cho mạch điện hình vẽ: E = 12V, r = 0,1, R1 = R2 = 2, R3 = 4, R4 = 4,4 a)Tìm điện trở tương đương mạch ngồi b)Tìm cường độ mạch UAB E, r D + - R4 R1 A ThS NGUYỄN PHÚ ĐỒNG, CÔNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI – VẬT LÍ 11, TẬP R3 R2 C B c)Tìm cường độ nhánh rẽ UCD Bài giải a)Điện trở tương đương mạch ngồi Ta có: [{R2 nt R3)//R1] nt R4 -Điện trở tương đương R2 R3 là: R23 = R2 + R3 = + = 6 -Điện trở tương đương R23 R1 là: R1R 23 2.6 = = 1,5 R123 = R1 +R 23 2+6 E, r D + R3 R2 A R4 R1 I1 I2 B C -Điện trở tương đương mạch là: RN = R123 + R4 = 1,5 + 4,4 = 5,9 b)Cường độ mạch UAB -Cường độ dịng điện qua mạch chính: I = E 12 = = 2A R N +r 5,9+0,1 -Hiệu điện hai điểm A, B là: UAB = IRAB = IR123 = 2.1,5 = 3V c)Cường độ nhánh rẽ UCD -Cường độ dòng điện qua nhánh rẽ: I1 = U AB U = = 1,5A ; I2 = AB = = 0,5A R1 R 23 -Hiệu điện hai điểm C, D là: UCD = UCB + UBD = U3 + U4 => UCD = I3R3 + I4R4 = I2R3 + IR4 = 0,5.4 + 2.4,4 = 10,8V 8.5 Cho mạch điện hình vẽ, nguồn gồm dãy, dãy pin nối tiếp, pin có: e = 1,5V, r = 0,25, mạch ngồi, R1 = 12, R2 = 1, R3 = 8, R1 R4 = 4 Biết cường độ qua R1 0,24A Tính: A a)Suất điện động điện trở nguồn R2 tương đương b)UAB cường độ mạch c)Giá trị điện trở R5 Bài giải a)Suất điện động điện trở nguồn -Suất điện động nguồn: Eb = ne = 4.1,5 = 6V I1 nr R1 -Điện trở nguồn: rb = = 0,25 = 0,5Ω m A b)Tính UAB cường độ mạch I2 R2 -Hiệu điện hai điểm A, B là: UAB = U1 + U3 = I1R1 + I3R3 = I1(R1 + R3) (vì I1 = I3) => UAB = 0,24.(12+8) = 4,8V -Cường độ dòng điện qua R2 là: I2 = R5 R3 B R4 R3 R5 I B R4 U AB 4,8 = = 0,96A R +R 1+4 -Cường độ dòng điện qua mạch chính: I = I1 + I2 = 0,24 + 0,96 = 1,2A c)Giá trị điện trở R5 ThS NGUYỄN PHÚ ĐỒNG, CÔNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI – VẬT LÍ 11, TẬP -Từ biểu thức định luật Ôm: I = Eb R N +rb => RNI + rbI = Eb => UN = Eb - rbI = 6-0,5.1,2 = 5,4V -Mặt khác: UN = UAB + U5 => U5 = UN – UAB = 5,4 – 4,8 = 0,6V U5 0,6 = = 0,5Ω => R5 = I 1,2 8.6 Mạch kín gồm nguồn điện (E = 200V; r = 0,5) hai điện trở R1 = 100, R2 = 500 mắc nối tiếp Một vôn kế mắc song song R2, 160V Tính điện trở vơn kế Bài giải Gọi RV điện trở vôn kế, RN điện trở mạch ngồi -Ta có: I = E,r E => IRN + Ir = E R N +r => UN = E – Ir Mặt khác: UN = U1 + U2 = I.R1 + U2 -Từ (1) (2) : IR1 + U2 = E – Ir => I(R1 + r) = E – U2 => I= (1) (2) => I = 0,398- RV = I2 I1 R2 V U2 R2 160 = 0,078A 500 UV 160 = = 2051Ω I1 0,078 Vậy: Điện trở vôn kế RV = 2051 8.7 Cho mạch điện hình vẽ, pin có e = 1,5V, r0 = 1, R = 6 Tìm cường độ mạch Bài giải -Suất điện động nguồn: Eb = EAM + EMB Ta có: EAM = ne = 2.1,5 = 3V A EMB = n’e = 3.1,5 = 4,5V => Eb = + 4,5 = 7,5V nr ' -Điện trở nguồn: rb = rAM + rMB = +n r0 m rb = R1 E-U 200-160 = 0,398A R1 +r 100+0,5 Mà I = I1 + I2 => I1 = I – I2 = I - => I R M B R 2.1 3.1 4 -Cường độ mạch chính: I = Eb 7,5 = = 0,75A R+rb 6+4 ThS NGUYỄN PHÚ ĐỒNG, CÔNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI – VẬT LÍ 11, TẬP Vậy: Cường độ mạch I = 0,75A 8.8 Cho mạch điện hình vẽ, nguồn có: e = 1,5V, r0 = 1, R1 = 6, R2 = 12, R3 = 4 Tìm cường độ mạch Bài giải -Suất điện động nguồn: Eb = EAM + EMN + EBC => Eb = e + e + e = 3e = 3.1,5 = 4,5V -Điện trở nguồn: rb = rAM + rMN + rBC A r0 r0 => rb = + +r0 = 2r0 = 2.1 = 2Ω 2 -Điện trở mạch ngoài: RN = R + R2 M N R3 R1 B C R2 R1R 6.12 = 4+ = 8Ω R1 +R 6+12 -Cường độ qua mạch chính: I = R3 R1 Eb 4,5 = = 0,45A R N +rb 8+2 Vậy: Cường độ mạch I = 0,45A 8.9 Cho mạch điện hình vẽ, nguồn e = 12V, r = 2, R2 = 3, R3 = 6, R1 = 2R4, RV lớn a)Vơn kế 2V Tính R1, R4 b)Thay vơn kế ampe kế có RA = Tìm số ampe kế Bài giải a)Tính R1, R4 r Ta có: Eb = e = 12V; rb = = 1Ω => U AB U = AB I= R AB R 23 với R 2R 3.6 = = 2Ω UAB = 2V; R23 = R +R 3+6 => I= R1 R2 R3 V R1 R2 A R3 R4 R4 B V = 1A Mặt khác: I = Eb => IRN + Irb = Eb R N +rb E b - Irb 12 1.1 11 = I RN = R1 + R23 + R4 = 3R4 + R23 = 3R4 + R -2 11 = 3 => R4 = N = 3 R1 = 2R4 = 2.3 = 6 Vậy: Giá trị điện trở R1 = ; R4 = b)Số ampe kế => RN = ThS NGUYỄN PHÚ ĐỒNG, CÔNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI – VẬT LÍ 11, TẬP Vì RA = nên ta bỏ R2 R3 Cường độ dòng điện qua mạch: Eb 12 = = 1,2A I= R1 +R +rb 6+3+1 Vậy: Số ampe kế 1,2A 8.10 Có nguồn điện giống nhau, nguồn có e = 6V, r A = mắc hình vẽ R1 = 3, R2 = 6, R3 = 2, RA = Tìm số ampe kế R1 R3 Bài giải Vì RA = nên nguồn hai điểm mắc ampe kế bị nối tắt R2 nr Ta có: Eb = ne = 3.6 = 18V; rb = = 1 ; = m IA -Cường độ dòng điện qua mạch chính: I= A I1 R1R 3.6 RN = R3 + R12 = R3 + =2+ = 4 R1 +R 36 I0 I2 I R1 R3 Eb 18 = = 3,6 A rb +R N 1 R2 -Số ampe kế: IA = I0 – I1 e0 I 3,6 với I1 = = = 1,8A; I0 = = = 9A 2 r => IA = – 1,8 = 7,2A Vậy: Số ampe kế IA = 7,2A 8.11 Cho mạch điện hình vẽ: E = 30V, r = 3, R1 = 12, R2 = 36, R3 = 18, RA = B a)Tìm số ampe kế chiều dịng điện qua b)Đổi chỗ nguồn E ampe kế (cực dương E nối với G) Tìm số chiều dịng điện qua ampe kế Bài giải a)Số ampe kế chiều dịng điện qua -Vì điện trở ampe kế RA = nên mạch vẽ lại: -Ta có: +Điện trở mạch ngồi: R 2R 36.18 = 12+ = 24Ω RN = R + R +R 36+18 A R1 R2 => E 30 10 = = A R N +r 24+3 UDF = IR23 = R3 D G E, r B R1 I I3 R3 F DG I2 +Cường độ dòng điện qua mạch chính: I= F R2 E, r 10 40 12 = V ThS NGUYỄN PHÚ ĐỒNG, CƠNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI – VẬT LÍ 11, TẬP => I3 = U DF 40 20 = = A R3 3.18 27 Vì số ampe kế cường độ dịng điện qua R nên số ampe kế 20 A dịng 27 điện có chiều từ D đến G b)Số chiều dòng điện qua ampe kế đổi chỗ nguồn ampe kế -Khi đổi chỗ nguồn E ampe kế, ta có mạch điện sau: +Điện trở tương đương mạch ngoài: R 'N = R + R1R 12.36 = 18+ = 27Ω R1 +R 12+36 E,r G +Cường độ dòng điện mạch chính: R2 E 30 = = 1A ' R N +r 27+3 I' = => UBD = I’RN = 1.9 = 9V => I1 = R3 B F D R1 U BD = = 0,75A R1 12 Vậy: Khi đổi chỗ nguồn ampe kế, ampe kế 0,75A dịng điện có chiều từ F đến B 8.12 Cho mạch điện hình vẽ: E = 24V, r = 1, A R1 = 3, R2 = R3 = R4 = 6, RA = B A Tìm số ampe kế R1 C R2 R3 Bài giải R E,r Vì RA = nên mạch vẽ lại sau: -Số ampe kế tổng dòng điện qua R2 R3 A R124 R -Điện trở mạch ngoài: RN = R124 +R với A R1 C B R2 R4 R1R 3.6 = 6+ = 8Ω R124 = R4 + R1 +R 3+6 E, r 8.6 24 = Ω 8+6 -Cường độ dòng điện qua mạch chính: => R3 RN = R3 R2 E 24 168 = = A 24 I = R N +r 31 +1 => UAB = IRN = => I3 = I124 = B R4 R1 168 24 576 = V 31 31 U AB 576 96 = = A R3 31.6 31 C A E, r (1) U AB 576 75 = = A R124 31.8 31 ThS NGUYỄN PHÚ ĐỒNG, CÔNG PHÁ ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI – VẬT LÍ 11, TẬP 10