Mở đầu (trang 52) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10: 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?
Trả lời:
- 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.
I. Năng lượng của dòng điện
1. Dòng điện mang năng lượng
Câu hỏi 1 (trang 52) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10: 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
Trả lời:
- Bóng đèn: Khi dòng điện chạy qua bóng đèn, năng lượng điện được chuyển đổi thành quang năng (ánh sáng) và nhiệt năng (tỏa ra từ dây tóc
- Quạt điện: Khi dòng điện chạy qua quạt điện, năng lượng điện được chuyển đổi thành cơ năng (làm quay cánh quạt) và nhiệt năng (tỏa ra từ động cơ).
- Bàn là: Khi dòng điện chạy qua bàn là, năng lượng điện được chuyển đổi thành nhiệt năng (làm nóng mặt bàn ủi).
2. Công thức tính năng lượng của dòng điện
Câu hỏi 2 (trang 53) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10: Cho mạch điện gồm một điện trở R mắc với hai đầu nguồn điện có hiệu điện thế không đổi U. Tính năng lượng điện điện trở tiêu thụ trong thời gian t.
Trả lời:
- Năng lượng điện điện trở tiêu thụ trong thời gian t:
Tìm hiểu thêm 1 (trang 53) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10: 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 đó 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.
Trả lời:
- 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.
* Em hãy tìm hiểu vai trò của biến trở ở thí nghiệm hình 10.4.
Trả lời:
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.
Tìm hiểu thêm 2 (trang 54) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10: 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?
Trả lời:
Để ước tính năng lượng điện tiêu thụ của gia đình trong một ngày, ta có thể thực hiện như sau:
- Ghi lại số liệu từ công tơ điện:
+ Ví dụ: Ghi lại số liệu từ công tơ điện từ buổi sáng khi chưa dùng điện và sau một khoảng thời gian khoảng một ngày.
+ 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.
- 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.
- 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.
- 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 54) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10: 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 = UIt.
Trả lời:
Từ định luật Joule Lenz: Q = I2.R.t
Định luật Ohm:
Đây là trường hợp, toàn bộ năng lượng điện chuyển hóa thành năng lượng nhiệt cho nên
W = Q = U.I.t
Luyện tập 1 (trang 54) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10: 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 = Wlt; U = 6,0 V; I = 1,19 A
Thay số: W = 6,0.1,19.600 = 4284 J
II. Công suất điện
1. Công suất điện
Câu hỏi 3 (trang 55) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10: Xét trường hợp đoạn mạch có điện trở R, hãy chứng tỏ rắng công suất điện của đoạn mạch đó có thể được tính theo công thức: P = I2 R=
Trả lời:
P = UI ⇒ P = I2 R=
Câu hỏi 4 (trang 55) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10: 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?
Trả lời:
- 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
2. Công suất điện định mức của dụng cụ điện
Luyện tập 2 (trang 55) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10:
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.
- Khi các thiết bị hoạt động, năng lượng của dòng điện chuyển hóa thành các dạng năng lượng: nhiệt năng, cơ năng, hóa năng, ….
- Sự chuyển hóa cho biết thiết bị đó đã tiêu thụ năng lượng điện và số oát của thiết bị điện cho biết lượng điện năng sử dụng trong một đơn vị thời gian.
b. Vì quạt được cung cấp U = 5V nên nó sẽ hoạt động bình thường với công suất định mức 4 W
Chiếc quạt tiêu thụ năng lượng điện là: W = U.I.t = P.t = 4.30.60 = 1200J
Vận dụng (trang 55) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 10: 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 quảng đường với công suất định mức. Nêu những dụng cụ em cần dùng và cách làm để biết xe nào tiêu thụ năng lượng điện nhiều hơn khi đi hết quảng đường thử nghiệm.
Lời giải:
- Dụng cụ cần thiết:
+ Hai đồng hồ đo điện năng: Dùng để đo lượng điện năng tiêu thụ của từng xe trong suốt quãng đường thử nghiệm.
+ Bộ sạc pin: Dùng để sạc đầy pin cho xe trước khi bắt đầu thử nghiệm. Đoạn đường thử nghiệm: Cần chọn một đoạn đường bằng phẳng, không có dốc để đảm bảo kết quả thử nghiệm chính xác.
+ Bút và giấy: Dùng để ghi chép lại số liệu đo được.
- Cách thực hiện:
+ Đảm bảo pin của hai xe được sạc đầy.
+ Lắp đặt đồng hồ đo điện năng vào từng xe. Chạy hai xe cùng lúc trên đoạn đường thử nghiệm với cùng một công suất định mức.
+ Ghi chép lại số liệu đo được trên đồng hồ đo điện năng sau khi hai xe hoàn thành quãng đường thử nghiệm.
+ So sánh số liệu đo được của hai xe để xác định xe nào tiêu thụ năng lượng điện nhiều hơn.