Giải SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23: Điện trở. Định luật Ôm

Khởi động

Câu hỏi SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23 (trang 95): Các thiết bị điện thông thường mà chúng ta dùng hằng ngày đều có các điện trở. Vậy điện trở đặc trưng cho tính chất nào của vật dẫn và tại sao một vật dẫn lại có điện trở?

Trả lời:

- Điện trở đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện khi đi qua vật dẫn.

- Vật dẫn có điện trở bởi vì: Các ion dương liên kết với nhau một cách trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại. Vật dẫn thường làm bằng kim loại, bọc cách điện, bên trong kim loại các nguyên tử bị mất electron hoá trị trở thành các ion dương. Tuy nhiên, chuyển động nhiệt của các ion có thể phá vỡ trật tự này. Điều nãy được chứng minh rằng: Nhiệt độ càng cao, dao động nhiệt càng mạnh, mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự. Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của các electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.

I. Điện trở

1. Thí nghiệm

Câu 1 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23 (trang 95): Hãy nhận xét về tỉ số $\frac{U}{I}$ đối với từng vật dẫn

Trả lời:

1. Tỉ số $\frac{U}{I}$ của vật dẫn X và vật dẫn Y không thay đổi khi thay đổi hiệu điện thế của nguồn điện

2. Đối với hai vật dẫn X và vật dẫn Y thì tỉ số $\frac{U}{I}$ có khác nhau

- Vật dẫn X có tỉ số: $\frac{U}{I_{1}}=200$

- Vật dẫn Y có tỉ số: $\frac{U}{I_{2}}=100$

3. Nếu đặt cùng một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn X và vật dẫn Y thì vật dẫn nào có tỉ số $\frac{U}{I}$ lớn hơn thì khi đặt cùng một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn cường độ dòng điện sẽ nhỏ hơn

Câu 2 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23 (trang 95): Đối với vật dẫn X và vật dẫn Y thì tỉ số $\frac{U}{I}$ có khác nhau không?

Trả lời:

- Tỉ số $\frac{U}{I}$ ở mỗi vật dẫn là khác nhau vì điện trở của mỗi loại vật dẫn khác nhau: R=$\frac{U}{I}$

Câu 3 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23 (trang 95): Nếu đặt cùng một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn X và vật dẫn Y thì cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn nào có giá trị nhỏ hơn?

Trả lời:

- Nếu đặt cùng một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn X và Y thì cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn X có giá trị nhỏ hơn.

3. Đường đặc trưng vôn - ampe

Câu 1 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23 (trang 97): Đường đặc trưng vôn - ampe của điện trở có đặc điểm gì? Đặc điểm này nói lên điều gì về mối quan hệ giữa hiệu điện thế U và cường độ dòng điện I?

Trả lời:

1. Đường đặc trưng vôn-ampe của điện trở có dạng là một đường thẳng đi qua gốc toạ độ và hướng lên. Đặc điểm này cho biết hiệu điện thế U và cường độ dòng điện I có mối quan hệ tỉ lệ thuận với nhau.

2. Độ dốc của đường đặc trưng vôn-ampe của điện trở cho biết giá trị điện trở lớn hay nhỏ. Độ dốc càng lớn thì điện trở càng nhỏ, độ dốc nhỏ thì điện trở lớn.

Câu 2 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23 (trang 97): Độ dốc của đường đặc trưng vôn - ampe của điện trở liên quan đến điện trở như thế nào?

Trả lời:

- Độ dốc của đường đặc trưng vôn-ampe của điện trở cho biết giá trị điện trở lớn hay nhỏ. Độ dốc càng lớn thì điện trở càng nhỏ, độ dốc nhỏ thì điện trở lớn.

III. Nguyên nhân gây ra điện trở và ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở

1. Nguyên nhân gây ra điện trở trong vật dẫn kim lại

Câu hỏi SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23 (trang 98): Vận dụng công thức I = S_nve để giải thích tại sao điện trở R của vật dẫn kim loại lại phụ thuộc vào chiều dài ℓ, tiết diện S và điện trở suất ρ của dây theo công thức $R=\frac{\rho l}{S}$

Trả lời:

* Cách giải thích thứ nhất:

Điện trở R của vật dẫn kim loại phụ thuộc vào các đại lượng:

- Chiều dài: Độ dài của vật dẫn sẽ làm thay đổi tốc độ dịch chuyển có hướng của các electron trong vật dẫn. Từ đó I thay đổi dẫn đến R thay đổi. Chiều dài tăng  vận tốc v giảm  I giảm  R tăng.

- Tiết diện: Tiết diện thay đổi dẫn đến I thay đổi, kéo theo R thay đổi. Tiết diện tăng  I tăng  R giảm. Suy ra R tỉ lệ nghịch với tiết diện S.

- Điện trở suất: Điện trở tỉ lệ thuận với điện trở suất. Điện trở suất thì phụ thuộc vào bản chất kim loại làm vật dẫn, nó sẽ ảnh hưởng đến mật độ hạt tải điện, Điện trở suất tăng  vật liệu dẫn điện kém  I giảm  R tăng. Từ đó I thay đổi dẫn đến R thay đổi. 

=> Kết luận: điện trở R phụ thuộc vào chiều dài, tiết diện, điện trở suất của vật dẫn theo công thức $R=\frac{\rho l}{S}$

* Cách giải thích thứ hai:

Xét một đoạn dây AB có tiết diện S và chiều dài l.

Khi đặt vào hai đầu đoạn dây AB một hiệu điện thế U thì theo định luật Ohm ta có: $I=\frac{U}{R}$

Ta có: I=Snve

Theo công thức (18.1)U=E.d ta có: U=E.l

$\rho =\frac{E}{J}=\frac{ES}{Sn\upsilon e}=\frac{E}{n\upsilon e}=const$ là một hằng số đo vận tốc của các electron tỷ lệ với cường độ điện trường E trong vật dẫn kim loại với J là mật độ dòng điện $J=\frac{I}{S}$ (A/m2)

=> Từ $R=\frac{U}{I}\Rightarrow R=\frac{E.l}{Snve}=\rho \frac{l}{S}$

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở

Câu 1 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23 (trang 100): Từ kết quả thí nghiệm em rút ra nhận xét gì về sự phụ thuộc của điện trở nhiệt NTC vào nhiệt độ?

Trả lời:

- Quan sát kết quả ta thấy giá trị điện trở nhiệt NTC tỉ lệ nghịch với nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm, khi nhiệt độ giảm thì điện trở tăng.

Câu 2 SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23 (trang 100): Hai đồ thị trong Hình 23.10 a, b mô tả đường đặc trưng vôn — ampe của một dây kim loại ở hai nhiệt độ khác nhau t₁ và t₂

a) Tính điện trở của dây kim loại ứng với mỗi nhiệt độ t₁ và t₂.

b) Dây kim loại ở đồ thị nào có nhiệt độ cao hơn?

Trả lời:

a)

* Cách tính thứ nhất:

- Hình 23.9a: Điện trở của dây kim loại ở nhiệt độ t₁ là: $R_{1}=\frac{U_{1}}{I_{1}}=\frac{25}{2}=12,5\Omega$

- Hình 23.9b: Điện trở của dây kim loại ở nhiệt độ t2 là: $R_{2}=\frac{U_{2}}{I_{2}}=\frac{15}{1,5}=10\Omega$

* Cách tính thứ hai: 

$U=25V,I=2A\Rightarrow R=\frac{U}{I}=\frac{25}{2}=12,5\Omega$ (Hình 23.9a)

$U=10V,I=1A\Rightarrow R=\frac{U}{I}=\frac{10}{1}=10\Omega$ (Hình 23.9b)

b) Điện trở ở hình 23.9a lớn hơn hình 23.9b nên nhiệt độ ở hình 23.9b lớn hơn.

* Trường hợp:

- Nếu kim loại của nhiệt điện trở NTC thì: Ở nhiệt độ t₂ có điện trở thấp hơn ở nhiệt độ t₁. Chứng tỏ nhiệt độ t₂ > t₁.

- Nếu kim loại của nhiệt điện trở PTC thì: Ở nhiệt độ t₂ có điện trở thấp hơn ở nhiệt độ t₁. Chứng tỏ nhiệt độ t₂ < t₁.

Hoạt động SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức Bài 23 (trang 100): Đồ thị Hình 23.10 thể hiện đường đặc trưng vôn - ampe của hai linh kiện là dây tóc bóng đèn và dây kim loại.

a) Xác định đường nào là của dây tóc bóng đèn, đường nào là của dây kim loại.

b) Xác định hiệu điện thế mà tại đó dây tóc bóng đèn và dây kim loại có điện trở như nhau.

c) Xác định điện trở ứng với hiệu điện thể xác định được ở câu b.

Trả lời:

a)

Ta có: I = S_nve

U = E.l

$\rho =\frac{E}{J}=\frac{ES}{I}=\frac{ES}{S_{nve}}=\frac{E}{nve}$ với J là mật độ dòng điện J=$\frac{I}{S}$(A/m²)

Từ $R=\frac{U}{I}=>R=\frac{E.l}{S_{nve}}=\rho \frac{l}{s}$

b) Vị trí giao nhau của đường X và Y có giá trị điện trở như nhau tại đó hiệu điện thế có giá trị U = 8V

c) Điện trở trong trường hợp này là: $R=\frac{U}{I}=\frac{8}{3,4}=2,35\Omega$