Bài 21. Tụ điện trang 42, 43, 44, 45, 46 SBT Vật lí 11 Kết nối tri thức với cuộc sống

21.1

Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện là:

A. điện dung C.

B. điện tích Q.

C. khoảng cách d giữa hai bản tụ.

D. cường độ điện trường.

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến tụ điện .

Lời giải chi tiết :

Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện là: điện dung C

Đáp án : A

21.2

Khi trong phòng thí nghiệm chỉ có một số tụ điện giống nhau với cùng điện dung C, muốn thiết kế một bộ tụ điện có điện dung nhỏ hơn C thì:

A. chắc chắn phải ghép song song các tụ điện.

B. chắc chắn phải ghép nối tiếp các tụ điện.

C. chắc chắn phải kết hợp cả ghép song song và nối tiếp.

D. không thể thiết kế được bộ tụ điện như vậy.

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến ghép tụ điện .

Lời giải chi tiết :

Khi ghép nối tiếp điện dung của bộ tụ : \(\)\(\frac{1}{C} = \frac{1}{{{C_1}}} + \frac{1}{{{C_2}}} + ... + \frac{1}{{{C_n}}}\) và  \({C_b} < {C_1};{C_2}...\)

Khi trong phòng thí nghiệm chỉ có một số tụ điện giống nhau với cùng điện dung C, muốn thiết kế một bộ tụ điện có điện dung nhỏ hơn C thì chắc chắn phải ghép nối tiếp các tụ điện.

Đáp án : B

21.3

Hai tụ điện có điện dung lần lượt \({C_1} = 1\mu F\), \({C_2} = 3\mu F\)ghép nối tiếp. Mắc bộ tụ điện đó vào hai cực của nguồn điện có hiệu điện thế U = 40 V. Điện tích của các tụ điện là

A. \({Q_1} = {40.10^{ - 6}}\)C và \({Q_2} = {120.10^{ - 6}}\) C.

B. \({Q_1} = {Q_2} = {30.10^{ - 6}}\) C.

C. \({Q_1} = 7,{5.10^{ - 6}}\)C và \({Q_2} = 22,{5.10^{ - 6}}\)C.

D. \({Q_1} = {Q_2} = {160.10^{ - 6}}\).

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến ghép tụ điện .

Lời giải chi tiết :

Khi ghép nối tiếp điện dung của bộ tụ : \(\)\(\frac{1}{C} = \frac{1}{{{C_1}}} + \frac{1}{{{C_2}}} = \frac{1}{{{{1.10}^{ - 6}}}} + \frac{1}{{{{3.10}^{ - 6}}}} =  > C = 0,{75.10^{ - 6}}F\)

Hai tụ ghép nối tiếp nên điện tích của các tụ điện \(Q = {Q_1} = {Q_2} = C.U = 0,{75.10^{ - 6}}.40 = {30.10^{ - 6}}C\)

Đáp án : B

21.4

Một tụ điện khởi động cho động cơ có các thông số. như Hình 21.1. Đơn vị VAC (hoặc V.ac) là điện áp ứng với dòng điện xoay chiều, còn VDC (hay V.dc) là điện áp ứng với dòng điện một chiều cùng được đọc là vôn. Thông số điện áp 370 VAC được hiểu là

A. điện áp tối thiểu khi mắc tụ điện vào.

B. điện áp mà tụ điện hoạt động tốt nhất.

C. điện áp xoay chiều hiệu dụng cao nhất để đảm bảo cho tụ hoạt động tốt. Đây không phải là thông số điện áp một chiều.

D. điện áp mà khi mắc tụ điện vào thì điện dung bằng 15 \(\mu F\).

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến tụ điện .

Lời giải chi tiết :

Thông số điện áp 370 VAC được hiểu là điện áp xoay chiều hiệu dụng cao nhất để đảm bảo cho tụ hoạt động tốt. Đây không phải là thông số điện áp một chiều

Đáp án : C

21.5

Quạt treo tường nhà bạn Nam bị hỏng chiếc tụ điện như Hình 21.2 và cần được thay thế. Hãy cho biết bạn Nam có thể chọn được tụ điện loại nào trong các loại dưới đây mà cửa hàng đồ điện có bán.

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến tụ điện .

Lời giải chi tiết :

Tụ điện của Nam có giá trị  \(C = 2,5\mu F\) để thay thế tụ này Nam cần tìm một tụ tương đương có giá trị \(C = 2,5\mu F\)

Đáp án : D

21.6

Ở Bài 21.5, khi bạn Nam ra tới cửa hàng đồ điện để mua tụ điện thay thế cho tụ điện quạt trong Hình 21.2 thì cửa hàng đã bán hết loại tụ điện mà Nam dự định mua. Biết rằng giá bán các tụ loại A, B, C, D là bằng nhau, hãy giúp bạn Nam lựa chọn phương án thay thế với chỉ phí hợp lí nhất.

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến tụ điện .

Lời giải chi tiết :

Tụ điện của Nam có giá trị  \(C = 2,5\mu F\) để thay thế tụ này Nam cần tìm một tụ tương đương có giá trị \(C = 2,5\mu F\)cửa hàng đã bán hết loại tụ điện mà Nam dự định mua nên Nam cần mua 2 tụ điện khác để ghép nối thành bộ tụ phù hợp là

phương án thay thế với chỉ phí hợp lí nhất.

Ghép song song 2 tụ có điện tích nhỏ hơn \(C = 2,5\mu F\) và có tổng bằng \(C = 2,5\mu F\) thì ta được bộ tụ phù hợp .

Ta có \({C_b} = 2,5\mu F = {C_1} + {C_2} = 2C =  > C = \frac{{{C_b}}}{2} = 1,25\mu F\)

Đáp án :  C

21.7

Chọn mua hai chiếc tụ điện loại A và một chiếc tụ điện loại B trong Bài 21.5 về ghép thành bộ như Hình 21.3.

a) Tính điện dung của bộ tụ điện.

b) Sử dụng bộ tụ điện trong Hình 21.3 có thể thay thế cho tụ điện quạt bị hỏng trong Hình 21.2 không ? Giải thích lí do.

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến tụ điện .

Lời giải chi tiết :

a) Ta có tụ A nối tiếp với tụ B nên điện dung \(\frac{1}{{{C_{AB}}}} = \frac{1}{{{C_A}}} + \frac{1}{{{C_B}}} = \frac{1}{{1,{{5.10}^{ - 6}}}} + \frac{1}{{{{3.10}^{ - 6}}}} =  > {C_{AB}} = 1\mu F\)

Tụ A // với tụ AB nên ta có điện dung của bộ tụ \({C_b} = {C_A} + {C_{AB}} = 1,5\mu F + 1\mu F = 2,5\mu F\)

b) Tuy điện dung của bộ tụ điện trong Hình 21.3 phù hợp với điện dung của tụ điện dùng cho quạt điện trong Hình 21.2 nhưng lại không thể thay thế cho tụ điện này được vì điện áp tối đa của tụ A chỉ là 150 V kéo theo bộ tụ điện cũng chỉ sử dụng được ở điện áp tối đa 150 V, nhỏ hơn điện áp thực tế mà chiếc quạt điện sử dụng là 220 V.

21.8

Tính điện tích tối đa mà bộ tụ điện Hình 21.3 có thể tích được trong ngưỡng điện áp theo thông số điện áp ghi trên tụ điện.

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến tụ điện .\(C = \frac{Q}{U}\)

Lời giải chi tiết :

Điện tích tối đa mà bộ tụ điện Hình 21.3 có thể tích được trong ngưỡng điện áp theo thông số điện áp ghi trên tụ điện : \({Q_{\max }} = C.{U_{\max }} = 2,{5.10^{ - 6}}.150 = {375.10^{ - 6}}C\)

21.9

Có hai chiếc tụ điện giống nhau như Hình 21.4. Tụ điện thứ nhất được tích điện với hiệu điện thế U =48V rồi bỏ ra khỏi nguồn. Sau đó ghép song song tụ điện thứ nhất với tụ thứ hai chưa được tích điện.

a) Khi bỏ qua các sai số, hãy xác định hiệu điện thế đo được giữa hai cực của bộ tụ điện.

b) Thay hai tụ điện trong Hình 21.4 bằng hai tụ điện khác nhưng thông số kĩ thuật vẫn giống nhau. Sử dụng nguồn tích điện có hiệu điện thế phù hợp để tích điện cho một tụ rồi lặp lại thí nghiệm như trên. Hiệu điện thế đo được của bộ tụ điện ghép song song sẽ phụ thuộc vào thông số nào?

c) Có thể làm thí nghiệm kiểm tra được không?

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến tụ điện .\(C = \frac{Q}{U}\)

Lời giải chi tiết :

a) Hai tụ mắc song song ta có hiệu điện thế đo được giữa hai cực của bộ tụ điện.

\({U_B} = {U_1} = {U_2} = 48V\)

b) Thay hai tụ điện trong Hình 21.4 bằng hai tụ điện khác nhưng thông số kĩ thuật vẫn giống nhau. Sử dụng nguồn tích điện có hiệu điện thế phù hợp để tích điện cho một tụ rồi lặp lại thí nghiệm như trên. Hiệu điện thế đo được của bộ tụ điện ghép song song sẽ phụ thuộc vào hiệu điện thế của tụ được tích điện .

c) Có thể làm thí nghiệm kiểm tra

21.10

Tích điện cho tụ điện như trong Hình 21.5 bằng nguồn điện một chiều để có hiệu điện thế U = 100 V. Giả sử sai số 5% là chính xác.

a) Thực tế, điện tích mà tụ này tích được sẽ có giá

trị trong khoảng nào?

b) Xác định sai số tương đối của điện tích mà tụ tích được.

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến tụ điện .\(C = \frac{Q}{U}\)

Lời giải chi tiết :

a) Ta có điện dung của tụ \(C = 4,5\mu F \pm 5\% \)

Sai số tương đối 5% nên ta có sai số tuyệt đối : \(\Delta c = \frac{{{\delta _C}.C}}{{100}} = \frac{{5.4,{{5.10}^{ - 6}}}}{{100}} = 0,225\mu F\)

điện tích mà tụ này tích được sẽ có giá trị trong khoảng : \({C_1}.U \le Q \le {C_2}.U =  > \left( {4,{{5.10}^{ - 6}} - 0,{{225.10}^{ - 6}}} \right).100 \le Q \le \left( {4,{{5.10}^{ - 6}} + 0,{{225.10}^{ - 6}}} \right).100\)

=> \(427,5\mu C \le Q \le 472,5\mu C\)

b) điện tích mà tụ tích được : \(Q = C.U = 4,5\mu .100 = 450\mu C\)

Sai số tuyệt đối : \(\Delta Q = 472,5\mu  - 450\mu  = 22,5\mu C\)

=> sai số tương đối của điện tích mà tụ tích được. :\(\delta Q = \frac{{\Delta Q}}{Q}.100 = \frac{{22,5\mu }}{{450\mu }}.100 = 5\% \)

21.11

Năng lượng của điện trường trong một tụ điện đã tích được điện tích q không phụ thuộc vào

A. điện tích mà tụ điện tích được.

B. hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện.

C. thời gian đã thực hiện để tích điện cho tụ điện.

D. điện dung của tụ điện.

Phương pháp :

Công thức tính năng lượng của tụ

Lời giải chi tiết :

Ta có năng lượng của tụ : \(W = \frac{{Q.U}}{2} = \frac{{{Q^2}}}{{2C}} = \frac{{C.{U^2}}}{2}\)=> Năng lượng của điện trường trong một tụ điện đã tích được điện tích q không phụ thuộc vào thời gian đã thực hiện để tích điện cho tụ điện

Đáp án :C

21.12

Năng lượng của tụ điện bằng

A. công để tích điện cho tụ điện.

B. điện thế của các điện tích trên các bản tụ điện.

C. tổng điện thế của các bản tụ điện.

D. khả năng tích điện của tụ điện.

Phương pháp :

Công thức tính năng lượng của tụ

Lời giải chi tiết :

Ta có năng lượng của tụ : \(W = \frac{{Q.U}}{2} = A\) => Năng lượng của tụ điện bằng công để tích điện cho tụ điện.

Đáp án : A

21.13

Một tụ điện có điện tích bằng Q và ngắt khỏi nguồn, nếu tăng khoảng cách giữa hai bản tụ điện thì

A. năng lượng của tụ điện giảm.

B. năng lượng của tụ điện tăng lên do ta đã cung cấp một công làm tăng thế

năng của các điện tích.

C. năng lượng của tụ điện không thay dải.

D. năng lượng của tụ điện tăng lên rồi mới giảm.

Phương pháp :

Công thức tính năng lượng của tụ

Lời giải chi tiết :

Ta có năng lượng của tụ : \(W = \frac{{{Q^2}}}{{2C}}\)

Điện dung tụ điện \(C = \frac{{\varepsilon S}}{{4\pi kd}}\) ( d là khoảng cách hai bản tụ )

=> tăng khoảng cách giữa hai bản tụ điện thì điện dung C giảm đi => Năng lượng của tụ điện tăng lên .

Đáp án : B

21.14

Có bốn chiếc tụ điện như Hình 21.6, hãy sắp xếp theo thứ tự tăng dần về năng lượng khi chúng được tích điện tới mức tối đa cho phép.

A.b, d, a, c.

B.b, c, d, a.

C.c, a, b, d.

D.c, b, a ,d .

Phương pháp :

Công thức tính năng lượng của tụ

Lời giải chi tiết :

Ta có năng lượng của tụ : \(W = \frac{{{Q^2}}}{{2C}}\)

=> Năng lượng giảm khi điện dung C tăng => thứ tự năng lượng tăng dần là thứ tự tụ điện C giảm dần => a , d , c , b .

Đáp án : B

21.15

Công dụng nào sau đây của một thiết bị không liên quan tới tụ điện?

A. Tích trữ năng lượng và cung cấp năng lượng.

B. Lưu trữ điện tích.

C. Lọc dòng điện một chiều.

D. Cung cấp nhiệt năng ở bàn là, máy sấy....

Phương pháp :

Công dung của tụ điện.

Lời giải chi tiết :

Tác dụng của tụ điện được biết đến nhiều nhất là khả năng lưu trữ năng lượng điện, lưu trữ điện tích hiệu quả . Ngoài ra, công dụng tụ điện còn cho phép điện áp xoay chiều đi qua, giúp tụ điện có thể dẫn điện như một điện trở đa năng => Công dụng nào sau đây của một thiết bị không liên quan tới tụ điện : Cung cấp nhiệt năng ở bàn là, máy sấy.

Đáp án : D

21.16

Khi sử dụng một tụ điện loại b và một tụ điện loại c trong Hình 21.6 để ghép thành bộ tụ điện. Hãy so sánh năng lượng bộ tụ điện ghép song song và bộ tụ điện ghép nối tiếp khi chúng được tích điện đến mức tối đa cho phép.

A. Năng lượng của bộ tụ điện ghép song song lớn hơn của bộ tụ điện ghép ,

nối tiếp.

B. Hai cách ghép đều cho kết quả như nhau.

C. Năng lượng của bộ tụ điện ghép song song nhỏ hơn của bộ tụ điện ghép,

nối tiếp.

D. Cả ba phương án A, B, C đều có thể xảy ra.

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến ghép tụ điện và năng lượng của tụ điện.

Lời giải chi tiết :

Ta có : ghép nối tiếp hai tụ ta được điện dung của bộ :

\(\frac{1}{{{C_b}}} = \frac{1}{{{C_1}}} + \frac{1}{{{C_2}}}\) và \({C_{{b_1}}} < {C_1};{C_2}\)(1)

Khi ghép nối song song hai tụ ta có điện dung của bộ:

 \({C_b} = {C_1} + {C_2}\)và \({C_{{b_2}}} > {C_1};{C_2}\)(2)

Từ (1) và (2) ta có : \({C_{{b_2}}} > {C_{{b_1}}}\)

Ta có năng lượng của tụ : \(W = \frac{{{Q^2}}}{{2C}}\)

=> Năng lượng giảm khi điện dung C tăng => Năng lượng của bộ tụ ghép nối tiếp lớn hơn năng lượng của bộ tụ ghép song song.

Đáp án : C

21.17

Hai tụ điện a và b (Hình 21.7) đã được tích điện lần lượt tới hiệu điện thế \({U_a} = 100\)V và \({U_b} = 120\)V. Sau đó đem ghép nối hai tụ điện bằng cách nối hai dây dương (màu đỏ) với nhau và nối hai dây âm (màu trắng) với nhau.

a) Hãy vẽ sơ đồ mạch điện ghép nối.

b) Xác định năng lượng của mỗi tụ điện trước và sau khi ghép nối.

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến ghép tụ điện và năng lượng của tụ điện.

Lời giải chi tiết :

a) Đem ghép nối hai tụ điện bằng cách nối hai dây dương (màu đỏ) với nhau và nối hai dây âm (màu trắng) với nhau => ghép tụ song song.

b) Năng lượng của hai tụ trước khi ghép nối :

\({W_a} = \frac{{C.{U^2}}}{2} = \frac{{{{2.10}^{ - 6}}{{.100}^2}}}{2} = 0,01J\)

 \({W_b} = \frac{{C.{U^2}}}{2} = \frac{{1,{{5.10}^{ - 6}}{{.120}^2}}}{2} = 0,0108J\)

Điện tích của tụ a là : \({Q_a} = {C_a}.{U_a} = {2.10^{ - 6}}.100 = {2.10^{ - 4}}C\)

Điện tích của tụ b là : \({Q_b} = {C_b}.{U_b} = 1,{5.10^{ - 6}}.120 = 1,{8.10^{ - 4}}C\)

Điện tích của tụ ghép song song là :\({Q_B} = {Q_a} + {Q_b} = 3,{8.10^{ - 4}}C\)

=> Năng lượng của bộ tụ sau khi ghép nối :

\({W_B} = \frac{{{Q_B}^2}}{{2{C_B}}} = \frac{{{{(3,{{8.10}^{ - 4}})}^2}}}{{2\left( {2\mu  + 1,5\mu } \right)}} = 0,021J\)

21.18

Tính năng lượng được giải phóng (hay công phóng điện) khi ta ghép nối hai tụ điện trong Bài 21.17 theo cách nối dây dương của tụ điện này với dây âm của tụ điện kia.

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến ghép tụ điện và năng lượng của tụ điện.

Lời giải chi tiết :

Nối dây dương của tụ điện này với dây âm của tụ điện kia => Ghép nối nối tiếp hai tụ điện .

Điện dung của bộ tụ sau khi ghép nối : \(\frac{1}{{{C_B}}} = \frac{1}{{{C_1}}} + \frac{1}{{{C_2}}} =  > {C_B} = {85.10^{ - 8}}F\)

Hiệu điện thế của bộ tụ sau khi ghép nối : \({U_B} = {U_a} + {U_b} = 220V\)

Năng lượng được giải phóng (hay công phóng điện) khi ta ghép nối hai tụ điện : \({W_B} = \frac{{{C_B}.{U_B}^2}}{2} = \frac{{{{85.10}^{ - 8}}{{.220}^2}}}{2} = 0,02057J\)

21.19

Sử dụng bốn tụ a, b, c, d trong Hình 21.6 để  ghép nối thành mạch như Hình 21.8. Nếu hiểu thông số điện áp ghi trên tụ điện là điện áp tối đa nđược mắc vào tụ điện đề hoạt động tốt.

a) Hãy xác định hiệu điện thế tối đa có thể mắc vào mạch trên mà không làm hỏng các tụ điện trong mạch.

b) Tính năng lượng tối đa cho phép mà bộ tụ điện trên có thể tích trữ được

Phương pháp :

Các kiến thức liên quan đến ghép tụ điện và năng lượng của tụ điện.

Lời giải chi tiết :

a) Tụ a nối tiếp tụ b => \(\)\({U_{gh(ab)}} = {U_{gh(a)}} + {U_{gh(b)}} = 250 + 450 = 700V =  > {U_{ab}} \le 700V\)(1)

Tụ c nối tiếp tụ d => \(\)\({U_{gh(cd)}} = {U_{gh(c)}} + {U_{gh(d)}} = 150 + 400 = 550V =  > {U_{cd}} \le 550V\)(2)

Theo hình vẽ suy ra ta có hiệu điện thế tối đa có thể mắc vào mạch trên mà không làm hỏng các tụ điện trong mạch : \({U_B} = {U_{ab}} = Ucd\)(3)

Từ (1) ,(2) , và (3) ta được : \({U_B} \le 550V =  > {U_{B(gh)}} = 550V\)

b) Tụ a nối tiếp tụ b => điện dung \(\frac{1}{{{C_{ab}}}} = \frac{1}{{{C_a}}} + \frac{1}{{{C_b}}} = \frac{1}{{2.5\mu }} + \frac{1}{{1,25\mu }} =  > {C_{ab}} = 0,8\mu F\)

Tụ c nối tiếp tụ d => điện dung \(\frac{1}{{{C_{cd}}}} = \frac{1}{{{C_c}}} + \frac{1}{{{C_d}}} = \frac{1}{{1.5\mu }} + \frac{1}{{2\mu }} =  > {C_{cd}} = 0,85\mu F\)

Theo hình vẽ suy ra ta có điện dung của bộ tụ : \({C_B} = {C_{ab}} + {C_{cd}} = 0,8\mu  + 0,85\mu  = 1,65\mu F\)

Năng lượng tối đa cho phép mà bộ tụ điện trên có thể tích trữ được :

\({W_{\max }} = \frac{{C.U_{gh}^2}}{2} = \frac{{1,65\mu .{{(550)}^2}}}{2} = 0,25J\)

21.20

Hình 21.9 bị xoá tên đại lượng trên trục tung. Ba đồ thị mô tả sự biến thiên của ba đại lượng: năng lượng, điện dung, điện tích, khi hiệu điện thế U thay đổi từ 0 đến 40 V. Hãy xác định tên trên trục tung của các đồ thị đó và giải thích .

Phương pháp :

Mối liên hệ giữa năng lượng, điện dung, điện tích với hiệu điện thế U

Lời giải chi tiết :

Ta có công thức tính điện dung của tụ : \(C = \frac{Q}{U} =  > \) đồ thị của C theo U là đường thẳng không đi qua gốc tọa độ \(\left( {U \ne 0} \right)\)=> đồ thị a

Từ công thức tính tụ điện \(C = \frac{Q}{U} =  > Q = C.U =  > \)đồ thị của Q theo U là đường thẳng với hiệu điện thế U thay đổi từ 0 đến 40 V => đi qua gốc tọa độ => đồ thị b

Ta có công thức tính năng lượng của tụ điện :

\(W = \frac{{C.{U^2}}}{2} =  > \)đồ thị của W theo U là 1 nhánh của parabol => đồ thị c

21.21

Hãy tìm hiểu, sưu tầm thông tin, hình ảnh một số tụ điện rồi lựa chọn và sử dụng thông tin để hoàn thành báo cáo tìm hiểu một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống.

Phương pháp :

Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống.

Lời giải chi tiết :