Chương 5: Dòng điện xoay chiều

Giải Bài Tập Vật Lí 12 – Bài 27: Mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện, cuộn cảm (Nâng Cao) giúp HS giải bài tập, nâng cao khả năng tư duy trừu tượng, khái quát, cũng như định lượng trong việc hình thành các khái niệm và định luật vật lí:

Bài C1 (trang 147 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Nêu cấu tạo của tụ điện và giải thích tại sao tụ điện không cho dòng 1 chiều đi qua.

Lời giải:

+ Tụ điện có cấu tạo gồm hai bản cực phẳng bằng kim loại đặt song song và cách điện với nhau, ở giữa hai bản cực là chất điện môi.

+ Khi đặt vào hai bản cực một điện áp không đổi U thì tụ điện tích điện đến giá trị Q. Không gian giữa hai bản tụ là một môi trường cách điện do đó tụ điện không cho dòng điện không đổi đi qua.

Bài C2 (trang 148 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Giải thích tại sao khi có dòng điện đi từ A tới M thì cũng có dòng điện cùng cường độ đi từ N tới B (hình 27.2 SGK)

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bai C2 Trang 148 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao

Lời giải:

Trong mạch có sự chuyển đổi từ dòng điện dẫn và dòng điện dịch trong khoảng giữa của tụ điện nên dòng điện kín trong mạch (dòng điện dịch trong khoảng giữa của tụ điện được sinh ra do sự biến thiên của điện trường trong lòng tụ điện). Vì thế khi có dòng điện đi từ A tới M thì cũng có dòng điện cùng cường độ đi từ N tới B.

Bài C3 (trang 148 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Nêu quy ước tính chiều dòng điện ngược lại với quy ước nêu ở mục b thì công thức i(t) có gì thay đổi ? Có thể nhận xét gì về pha của cường độ dòng điện theo quy ước này?

Lời giải:

Nếu quy ước chiều dòng điện từ M tới A thì khi đó điện tích q giảm và Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bai C3 Trang 148 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao

Cho u = U0cosωt ⇒ q = C.u = CU0cosωt

⇒ i = − q′(t) = CωU0sinωt = CωU0cos(ωt – π/2)

Vậy theo quy ước này dòng điện sẽ chậm pha so với u một góc π2

Bài C4 (trang 148 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Dựa vào công thức (27.4 SGK), hãy phát biểu định luật Ôm đối với mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện.

Lời giải:

Định luật Ôm đối với đoạn mạch xoay chiều chỉ có tụ điện: Cường độ dòng điện hiệu dụng qua đoạn mạch chỉ có tụ điện tỉ lệ thuận với hiệu điện thế hiệu dụng đặt vào hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với dung kháng của tụ điện.

Biểu thức: Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bai C4 Trang 148 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao

Bài C5 (trang 149 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Dung kháng của tụ điện phụ thuộc vào các yếu tố nào? Tụ điện có điện có điện dung 1μF mắc trong mạng điện xoay chiều dân dụng của nước ta có dung kháng bằng bao nhiêu?

Lời giải:

Dung kháng của tụ điện: Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bai C5 Trang 149 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 1

→ Dung kháng phụ thuộc vào điện dung C và tần số dòng điện xoay chiều.

Mạng điện xoay chiều dân dụng của nước ta có tần số f = 50Hz

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bai C5 Trang 149 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 2

Bài C6 (trang 149 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Độ tự cảm của một cuộn dây phụ thuộc vào các yếu tố nào?

Lời giải:

Độ tự cảm của cuộn dây được tính bằng công thức:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bai C6 Trang 149 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao

Do đó độ tự cảm phụ thuộc vào kích thước, hình dạng cuộn dây, số vòng dây và độ từ thẩm μ của lõi thép (nếu cuộn dây có lõi thép).

Bài C7 (trang 150 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Vì sao điện áp u giữa hai điểm A và B trong Hình 27.6 SGK được tính bằng công thức u = i.RAB – e?

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bai C7 Trang 150 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 1

Lời giải:

Khi có cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây thì trong cuộn dây suất hiện một suất điện động tự cảm đóng vai trò là máy phát cho đoạn mạch chứa cuộn dây.

Chọn chiều dương là chiều chạy từ A đến B. Áp dụng định luật Ohm cho đoạn mạch ta có:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bai C7 Trang 150 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 2 → u = uAB = i.RAB – e

Bài C8 (trang 150 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Nguyên nhân nào làm cho cường độ dòng điện qua cuộn cảm biến thiên trễ pha đối với điện áp?

Lời giải:

Cường độ dòng điện qua cuộn cảm chậm pha đối với điện áp đặt vào hai đầu cuộn cảm là do hiện tượng tự cảm xảy ra trong mạch làm chậm lại sự biến thiên của dòng điện i qua cuộn dây.

Bài C9 (trang 150 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Tại sao khi rút lõi sắt khỏi cuộn dây trong thí nghiệm nêu ở mục a thì độ sáng của đèn tăng lên?

Lời giải:

Độ tự cảm của cuộn dây được tính bằng công thức:

Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bai C9 Trang 150 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao

→ Độ tự cảm phụ thuộc vào kích thước, hình dạng cuộn dây, số vòng dây và độ từ thẩm μ của lõi thép (nếu cuộn dây có lõi thép).

Khi rút lõi thép ra khỏi cuộn dây thì L giảm, do đó cảm kháng ZL giảm, cường độ dòng điện tăng nên đèn cháy sáng hơn.

Bài C10 (trang 151 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Dựa vào công thức (27.8), hãy phát biểu định luật Ohm đối với đoạn mạch xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần.

Lời giải:

Định luật Ôm đối với đoạn mạch xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần: Cường độ dòng điện hiệu dụng qua đoạn mạch chỉ có cuộn cảm thuần tỉ lệ thuận với hiệu điện thế hiệu dụng đặt vào hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với cảm kháng của cuộn cảm thuần.

Biểu thức: Giải bài tập Vật lý lớp 12 nâng cao Bai C10 Trang 151 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao

Lời giải:

    Tác dụng chính của tụ điện với dòng điện xoay chiều là:

    + Tạo ra dung kháng cản trở dòng điện.

    + Làm cho điện áp biến thiên trễ pha so với dòng điện.

Lời giải:

Giả sử có dòng điện xoay chiều i = I0cosωt (1) chạy qua một cuộn dây thuần cảm L. Dòng điện này biến thiên điều hòa theo thời gian nên nó gây ra trong cuộn cảm một suất điện động tự cảm:

Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Cau 2 Trang 151 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 2

Theo định luật ôm điện áp giữa hai đầu cuộn cảm là:

u = iR – e = -e (vì R = 0)

Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Cau 2 Trang 151 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 3

Từ (1), (3) ta nhận thấy cường độ dòng điện xoay chiều qua cuộn cảm thuần biến thiên trễ pha π/2 đối với điện áp giữa hai đầu cuộn cảm.

    A. tăng tần số của điện áp đặt vào hai bản tụ điện.

    B. tăng khoẳng cách giữa hai bản tụ điện.

    C. giảm điện áp hiệu dụng giữa hai bản tụ điện.

    D. đưa bản điện môi vào trong lòng tụ điện.

Lời giải:

    Chọn B.

    Dung kháng của tụ Zc = 1/ωC

    Mặt khác điện dung tụ phẳng là:

Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Bai 1 Trang 151 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao

    Vậy Zc tăng khi d tăng.

    A. cuộn cảm có tác dụng cản trở đối với dòng điện xoay chiều, không có tác dụng cản trở dòng điện một chiều.

    B. điện áp tức thời giữa hai đầu cuộn cảm thuần và cường độ dòng điện qua nó có thể đồng thời bằng một nửa các biên độ tương ứng của chúng.

    C. Cảm kháng của một cuộn cảm thuần tỉ lệ nghịch với chu kì của dòng điện xoay chiều.

    D. Cường độ dòng điện qua cuộn cảm tỉ lệ thuận với tần số dòng điện.

Lời giải:

Chọn C

Cảm kháng của một cuộn cảm thuần được tính bằng công thức: ZL = L.ω = L.2π/T

→ Cảm kháng của một cuộn cảm thuần tỉ lệ nghịch với chu kì của dòng điện xoay chiều.

    A. Đều biến thiên trễ pha π/2 so với điện áp ở hai đầu đoạn mạch.

    B. Đều có giá trị hiệu dụng tỉ lệ với điện áp hiệu dụng giữa hai đầu đoạn mạch.

    C. Đều có giá trị hiệu dụng tăng khi tần số dòng điện tăng.

    D. Đều có giá trị hiệu dụng giảm khi tần số dòng điện tăng.

Lời giải:

    Chọn B.

    Vì:

Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Bai 3 Trang 152 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao

    Suy ra: cường độ hiệu dụng đều tỉ lệ với hiệu điện áp hiệu dụng.

Lời giải:

Dung kháng của tụ điện :

Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Bai 4 Trang 152 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 2

Áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch có tụ điện :

Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Bai 4 Trang 152 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 3
Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Bai 5 Trang 152 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao

    Xác định các thời điểm mà cường độ dòng điện qua tụ điện bằng 0.

Lời giải:

    Vì dòng điện sớm pha π/2 đối với hiệu điện thế nên có biểu thức:

Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Bai 5 Trang 152 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 1

    Các thời điểm t có cường độ dòng điện bằng 0 là nghiệm của phương trình:

Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Bai 5 Trang 152 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 2

    Suy ra:

Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Bai 5 Trang 152 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 3

Lời giải:

Cảm kháng của cuộn dây: ZL = ω.L = 2πf.L = 2.π.50.0,2 = 62,8Ω

Áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch có cuộn cảm thuần: Để học tốt Vật Lí 12 nâng cao | Giải bài tập Vật Lí 12 nâng cao Bai 6 Trang 152 Sgk Vat Ly 12 Nang Cao 1

 

Print Friendly, PDF & Email

Bài giải này có hữu ích với bạn không?

Bấm vào một ngôi sao để đánh giá!

Đánh giá trung bình / 5. Số lượt đánh giá:

Bình luận