Bài giảng Môn Vật lý lớp 11 - Bài 1: Xác định suất điện động và điện trở trong của nguồn điện

BÀI 1: XÁC ĐỊNH SUẤT ĐIỆN ĐỘNG VÀ 
ĐIỆN TRỞ TRONG CỦA NGUỒN ĐIỆN
I - MỤC ĐÍCH
- Áp dụng định luật Ôm với toàn mạch để xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hóa.
- Sử dụng đồng hồ đo hiện số để xác định các thông số của mạch điện.
- Hiểu hơn về tính chất hoạt động của một pin điện hóa.
II - CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Để xác định suất điện động và điện trở trong của pin, cần áp dụng định luật Ôm cho toàn mạch.
Sơ đồ thực hành:
V
A
E, r
K
R0
R
Khi mạch điện hở thì hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện bằng suất điện động của nguồn. Tuy nhiên khi dùng vôn kế đo 2 cực của nguồn điện thì thực tế đã có dòng điện trong mạch đo của đồng hồ, tức là đã tạo nên mạch kín. Nhưng dòng điện trong trường hợp này là rất nhỏ, nếu điện trở nội của vôn kế rất lớn. Theo mức độ chính xác có thể xem U E. Lúc đó r = , khó xác định vì E – U » 0 và I » 0. 
Để phép đo chính xác hơn và xác định được giá trị của sai số, ta có thể vận dụng định luật ôm cho toàn mạch để xác định E và r. Có thể có các phương án thực hiện sau:
a) Phương án 1:
Thực hiện đo các giá trị U và I tương ứng khi thay đổi R, ta vẽ đồ thị mô tả mối quan hệ đó, tức U = f(I). 
Áp dụng phương pháp xử lí kết quả đo được bằng đồ thị, ta vẽ được đường biểu diễn. (Ở đây dự đoán là một đường thẳng có dạng y=ax+b). Đường thẳng này sẽ cắt trục tung tại U0 và cắt trục hoành tại Im. Xác định giá trị của U0 và Im trên các trục. Đồ thị vẽ được có dạng như hình sau:
U
I
U0
Im
Theo phương trình đồ thị, dựa vào công thức của định luật Ôm cho toàn mạch ta có:
U = E – I(R0 + r)
Khi I = 0 à U0 = E
Khi U0 = 0 à 
Từ đó ta tính ra được E và 
b) Phương án 2:
Có thể sử dụng công thức định luật Ôm: 
Và viết dưới dạng: )
Hay với y = 1/I;	 b = R0 + RA + r; 	x = R
Như vậy, căn cứ vào các giá trị của Rx và I đo được ta suy ra giá trị của x và y để vẽ đồ thị. Áp dụng phương pháp xử lí kết quả đo được bằng đồ thị, ta vẽ được đường biểu diễn. Ở đây dự đoán là một đường thẳng có dạng y=ax+b (Xem hình vẽ). 
y
x
y0
xm
Sau đó kéo dài đường thẳng của đồ thị cắt trục tung tại y0 và trục hoành tại x0. Xác định toạ độ y0 và x0, đưa vào điều kiện của phương trình y = f(x), ta có:
y = 0 à x = xm = -b	x = 0 à y = y0 = b/E
Như vậy ta có thể xác định E và r.
Bổ sung phương án 3:
Trong công thức định luật Ôm cho toàn mạch: U = E – Ir, U = IRN là hiệu điện thế mạch ngoài, theo sơ đồ thì RN = R0 + Rx.
đã cho thấy mạch điện đo là mạch kín và có hai đại lượng cần xác định với một phương trình. Để có thể xác định được E và r, ta cần thực hiện các cặp giá trị U1, I1 và U2, I2 lúc này ta có có 2 phương trình:
 	E = U1 + rI1
	 U2 = U1 + rI1 - rI2 = U1 + r (I1 - I2)
	 r = 	và 	E = U1 + rI1
Mạch điện:
V
A
E, r
K
R0
Rx
III - DỤNG CỤ CẦN THIẾT  
 1. Hộp dụng cụ có bảng lắp rắp và khay linh kiện, cần lựa chọn các linh kiện sau:
	- 2 pin 1.5V và đế (1 pin mới và 1 pin cũ).
	- Điện trở 10 và đế tương ứng với R0 trên sơ đồ.
	- Biến trở 100 theo các mức thay đổi 10, tương ứng với Rx trên sơ đồ.
	- Bộ dây cắm phích đàn hồi F4mm. 
2. Hai đồng hồ vạn năng, một dùng ở thang Vôn, một dùng ở thang Ampe.
IV - GIỚI THIỆU DỤNG CỤ ĐO (sgk)
V - TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
Mạch điện và bảng số liệu cho Phương án 1và 2:
V
A
E, r
K
R0
Rx
- Dùng bộ dây nối có chốt cắm và các linh kiện mắc mạch theo như trên sơ đồ (theo bảng lắp ráp mạch điện của lớp 11). 
- Sau khi kiểm tra kĩ mạch lắp ráp, chọn vị trí biến trở ở vị trí 100W, đồng hồ Vôn chọn thang DCV 20, còn đồng hồ Ampe chọn thang 200mA DC (Hai đồng hồ đều là loại vạn năng hiện số).
- Đóng công tắc, và đọc các giá trị trên hai đồng hồ tương ứng với vị trí của biến trở (Rx). 
- Tiếp tục với các vị trí của biến trở 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10W, xác định các giá trị tương ứng trên các đồng hồ. Mỗi lần thực hiện đều sử dụng công tắc để ngắt mạch điện và chờ vài giây sau mới đóng mạch để quá trình điện hóa ở trong pin ổn định và biến trở không bị dòng điện làm tăng nhiệt độ liên tục.
- Ghi các giá trị vào bảng số liệu để xử lí theo các phương án 1 và 2. 
Rx
100W
90W
80W
70W
60W
50W
40W
30W
20W
10W
U
I
Bảng 1
1. Xử lí kết quả phương án 1:
- Dùng kết quả trong bảng 1 để vẽ đồ thị theo hệ trục tọa độ U và I. Hệ trục tọa độ cần lấy tỷ lệ xích chính xác để xác định các đại lượng U0 và Im.
	Từ phương trình của đường thẳng
 U = E – I(R0 + r) 
sẽ cắt hệ trục tọa độ tại hai điểm:
Khi I = 0 à U0 = E là giá trị đọc được trên trục tung.
Khi U0 = 0 à là giá trị đọc được trên trục hoành
Từ đó ta tính ra được E và 
Đó là kết quả cần thực hành trong bài thí nghiệm này.
2. Xử lí kết quả phương án 2:
Cũng với bảng 1 số liệu của bài này, hãy thực hiện vẽ đồ thị và tính toán theo phương trình y = f(x).
Các điểm của đồ thị là:
X = Rx
100W
90W
80W
70W
60W
50W
40W
30W
20W
10W
I
Y =1/I
y = 0 à x = xm = -b (xác định trên đồ thị)
x = 0 à y = y0 = b/E (xác định trên đồ thị)
Dùng đồng hồ Vôn đo điện áp hai đầu của đồng hồ Ampe để xác định 
RA = U/I
Với các kết quả thu được ta tính r theo biểu thức sau:
b = R0 + RA + r r = b – (R0 + RA)
Còn E = b/y0
3. Mạch điện và bảng số liệu phương án 3:
V
A
E, r
K
R0
Rx
- Mắc mạch điện theo sơ đồ trên: chú ý các cực tính và thang đo của đồng hồ. Đối với vị trí của vôn kế, đồng hồ đặt ở thang DCV mức 20, còn với vị trí ampe kế đồng hồ đặt ở thang DCA mức 10A (cực âm ở COM, cực dương ở 10A DC của đồng hồ DT 830B).
	- Điều chỉnh biến trở Rx ở vị trí giữa để có giá trị khoảng 50W. Đóng công tắc, gạt núm bất của A và V sang vị trí ON. Chờ thời gian ngắn khi giá trị số đo trên Ampe kế và Vôn kế ổn định đọc và ghi kết quả vào bảng. Sau đó gạt công tắc các đồng hồ về OFF.
- Ghi kết quả vào bảng sau:
RN=10W +50W
Lần 1
Lần 2
Lần 3
I1
U1
Bảng 2 
	 - Điều chỉnh biến trở Rx ở vị trí tận cùng tức lấy toàn bộ giá trị của biến trở là 100W. Đóng công tắc, gạt công tắc của các đồng hồ về ON. Chờ ổn định và đọc ghi kết quả vào bảng sau. Sau đó gạt công tắc đồng hồ về OFF và ngắt công tắc chạy của mạch.
RN=10W +100W
Lần 1
Lần 2
Lần 3
I2
U2
Bảng 3 
Với bảng 2 và bảng 3 số liệu, dựa theo hệ phương trình sau để tính toán kết quả:
	E = U1 + rI1
	 U2 = U1 + rI1 - rI2 = U1 + r (I1 - I2)
	 r = 	và 	E = U1 + rI1
* Các điểm cần lưu ý
- Đồng hồ hiện số có đặc điểm khá nhạy với sự thay đổi điện áp hay dòng điện, vì vậy khi đọc giá trị cần chờ thông số ổn định mới.
- Khi thực hiện lấy số liệu theo từng mức của biến trở, nên chú ý sử dụng công tắc hợp lí để tránh dòng điện chạy qua các điện trở lâu làm cho trị số của nó thay đổi.
- Cần chọn thang đo dòng điện hợp lý, nếu dòng đo lớn hơn mức của thang đo sẽ làm cho ampe kế ngắt mạch.
- Pin mới và pin cũ có điện trở trong khác nhau, điều đó sẽ làm cho kết quả của các pin khác nhau.
- Các điểm vẽ được trên đồ thị thực tế có thể không cùng trên đường thẳng, vì vậy khi nối dài để cắt các trục đồ thị (phương án 1 và 2) cần chọn hướng trung bình của vài điểm cuối.
BÀI BÁO CÁO
XÁC ĐỊNH SUẤT ĐIỆN ĐỘNG VÀ ĐIỆN TRỞ TRONG CỦA MỘT PIN ĐIỆN HÓA
Họ và tên :……………………………………; Lớp:………., ngày thực hành:………………
 MỤC TIÊU
BẢNG KẾT QUẢ : 
Giá trị : R0 = …………….( Ω); RA = …………..( Ω)
X = R (Ω)
I ( 10-3) A
U (V)
y = I-1 ( A-1)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
XÁC ĐỊNH ξ VÀ r THEO HAI PHƯƠNG ÁN :
1. 	PHƯƠNG ÁN 1 :
a. Vẽ đồ thị U = f(I)
b. Nhận xét và kết luận :
c. Xác định giao điểm của đồ thị với trục tung và trục hoành, từ đó suy ra giá trị của ξ và r:
 Từ đó suy ra: =…………………..(V); r = ………………………..()
PHƯƠNG ÁN 2 :
Vẽ đồ thị y = f(x) 
b. Nhận xét và kết luận : 
c. Xác định giao điểm của đồ thị với trục tung và trục hoành, từ đó suy ra giá trị của ξ và r:
Từ đó suy ra: E = ………………………….(V); r = ……………………..()
III. TRẢ LỜI CÂU HỎI :
Câu 1: Tại sao có thể mắc nối tiếp vôn kế với pin điện hoá thành mạch kín để đo hiệu đện thế U giữa hai cực của pin, nhưng không được mắc nối tiếp miliampe kế với pin thành mạch kín để đo cường độ dòng diện chạy trong pin?
Câu 2 : Tại sao phải mắc thêm điện trở bảo vệ R0 nối tiếp với pin điện hoá trong mạch điện?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………