Giải Vật Lí 11 Bài 24: Suất điện động cảm ứng

Nguyễn Thị Kim Anh Ngày: 13-05-2022 Lớp 11

2.6 K

Tailieumoi.vn giới thiệu Giải bài tập Vật Lí lớp 11 Bài 24: Suất điện động cảm ứng chính xác, chi tiết nhất giúp học sinh dễ dàng làm bài tập Suất điện động cảm ứng lớp 11.

Giải bài tập Vật Lí lớp 11 Bài 24: Suất điện động cảm ứng

Trả lời câu hỏi giữa bài

Trả lời câu C1 trang 149 SGK Vật lí 11: a) Nhắc lại định nghĩa suất điện động của một nguồn điện.

b) Trong các sơ đồ mạch điện, nguồn điện lí tưởng một chiều được ký hiệu như hình 24.1a SGK. Ngoài ra nguồn điện còn được ký hiệu như hình 24.1b SGK, trong đó, điểm ngọn của mũi tên chỉ vào cực dương của nguồn; chiều của mũi tên được gọi là chiều của suất điện động. Tính UAB theo sơ đồ hình 24.1c SGK.

c) Tính UCD theo sơ đồ hình 24.1d SGK.

d) Tính UAB theo sơ đồ hình 24.1e SGK với một nguồn có r ≠ 0.

e) Nhắc lại biểu thức của điện năng do một nguồn điện sản ra trong một khoảng thời gian Δt.

Lời giải:

a) Suất điện động của nguồn điện:

Là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của nguồn điện và được đo bằng thương số giữa công A của lực lạ thực hiện khi dịch chuyển một điện tích dương q ngược chiều điện trường và độ lớn của điện tích q đó.

Giải Vật Lí 11 Bài 2: Khí hậu châu Á (ảnh 1)

b) Ta có E là suất điện động của nguồn điện, nên:

UAB = ℰ - I.r

Vì r = 0 và mạch hở I = 0 =>UAB = ℰ

c) UCD = -UDC = -ℰ

d) UAB = ℰ - Ir

e) W = ℰ.I.Δt

Trả lời câu C2 trang 150 SGK Vật lí 11: Nghiệm lại rằng, trong công thức (24.4), hai vế đều có cùng đơn vị

Phương pháp giải:

Vận dụng biến đổi giữa các đơn vị

Lời giải:

Công thức 24.4: $| e_{c} | = | \frac{Δ Φ}{Δ t} |$

Xét đơn vị của hai vế:

- Vế trái, đơn vị của suất điện động cảm ứng là: Vôn (V)

Lại có: $1 V = \frac{J}{C}$ (2)

- Vế phải, ta có:

+ Đơn vị của từ thông là: Vebe (Wb)

+ Đơn vị của thời gian là: Giây (s)

Lại có: $1 W b = T . m^{2}$ và $T = \frac{N}{A . m}$

Ta suy ra: $1 W b = \frac{N}{A} m$

=> Đơn vị của vế phải: $\frac{1 W b}{s} = \frac{N m}{A s} = \frac{J}{C}$ (1)

Từ (1) và (2) ta suy ra hai vế đều có cùng đơn vị

Trả lời câu C3 trang 151 SGK Vật lí 11: Xác định chiều của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín (C) trên hình 24.3 khi nam châm:

a) Đi xuống.

b) Đi lên.

Giải Vật Lí 11 Bài 2: Khí hậu châu Á (ảnh 2)

Lời giải:

a) Khi nam châm đi xuống, từ thông qua (C) tăng, $e_{c} < 0$ => Chiều của suất điện động cảm ứng ngược với chiều của mạch.

Giải Vật Lí 11 Bài 2: Khí hậu châu Á (ảnh 3)

b) Khi nam châm đi lên, từ thông qua (C) giảm, $e_{c} > 0$ => Chiều của suất điện động cảm ứng là chiều của mạch.

Giải Vật Lí 11 Bài 2: Khí hậu châu Á (ảnh 4)

Câu hỏi và bài tập (trang 152 sgk Vật lí 11)

Bài 1 trang 152 SGK Vật lí 11: Phát biểu các định nghĩa:

- Suất điện động cảm ứng;

- Tốc độ biến thiên từ thông.

Lời giải:

Suất điện động cảm ứng là Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín.

Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín đó.

$| e_{c} | = | \frac{Δ Φ}{Δ t} |$

Tốc độ biến thiên từ thông: $\frac{Δ Φ}{Δ t}$ độ biến thiên từ thông qua mạch trong một đơn vị thời gian.

Bài 2 trang 152 SGK Vật lí 11: Nêu ít nhất ba ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ?

Lời giải:

- Tạo ra dòng điện xoay chiều,

- Máy phát điện (một chiều, xoay chiều)

- Máy biến thế.

Bài 3 trang 152 SGK Vật lí 11: Phát biểu nào dưới đây là đúng?

Khi một mạch kín phẳng, quay xung quanh một trục nằm trong mặt phẳng chứa mạch trong một từ trường, thì suất điện động cảm ứng đổi chiều một lần trong

A. 1 vòng quay

B. 2 vòng quay

C. $\frac{1}{2}$ vòng quay

D. $\frac{1}{4}$ vòng quay

Phương pháp giải:

+ Công thức của suất điện động cảm ứng: $e_{C} = - \frac{Δ Φ}{Δ t}$

+ Sử dụng lí thuyết về quan hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật Len - xơ. (Mục II - trang 150 -151 - SGK Vật Lí 11)

Lời giải:

- Giả sử, ban đầu từ thông qua mạch bằng không.

- Trong nửa vòng tay đầu, từ thông qua mạch tăng dần đến giá trị cực đại (khi $\vec{B}$ vuông góc với mặt phẳng của mạch) thì ec < 0: chiều của suất điện động cảm ứng ngược với chiều của mạch.

- Trong nửa vòng quay cuối, từ thông qua mạch giảm dần từ giá trị cực đại xuống 0 thì ec > 0: chiều của suất điện động cảm ứng là chiều của mạch.

Vậy suất điện động cảm ứng trong mạch sẽ đổi chiều một lần trong 1/2 vòng quay.

Chọn C

Bài 4 trang 152 SGK Vật lí 11: Một mạch kín hình vuông, cạnh 10cm, đặt vuông góc với một từ trường đều có độ lớn thay đổi theo thời gian. Tính tốc độ biến thiên của từ trường, biết cường độ dòng điện cảm ứng i = 2A và điện trở của mạch r = 5Ω.

Phương pháp giải:

+ Vận dụng biểu thức định luật Ôm: $I = \frac{E}{r}$

+ Độ lớn của suất điện động cảm ứng: $| e_{c} | = | \frac{Δ Φ}{Δ t} |$

+ Từ thông: $Φ = B S . c o s α$ với: $α = (\vec{n}, \vec{B})$

+ Tốc độ biến thiên của cảm ứng từ: $\frac{Δ B}{Δ t}$

Lời giải:

Theo định luật Ôm, ta có: $i = \frac{e_{c}}{r}$

=> Độ lớn suất điện động cảm ứng : $| e_{C} | = i . r = 2.5 = 10 V$

Mặt khác: $| e_{c} | = | \frac{Δ Φ}{Δ t} | = | \frac{Δ B . S}{Δ t} | = | \frac{Δ B}{Δ t} | S$

Với $S = a^{2} = ({10.10}^{- 2})^{2}$ là diện tích mạch kín

=> Tốc độ biến thiên của cảm ứng từ: $| \frac{Δ B}{Δ t} | = \frac{| e_{c} |}{S} = \frac{10}{{({10.10}^{- 2})}^{2}} = 10^{3} (T / s)$

Bài 5 trang 152 SGK Vật lí 11: Một khung dây dẫn hình vuông, cạnh a = 10cm, đặt cố định trong một từ trường đều có vec tơ cảm ứng từ $\vec{B}$ vuông góc với mặt khung. Trong khoảng thời gian ∆t = 0,05s, cho độ lớn của $\vec{B}$ tăng đều từ 0 đến 0,5 T. Xác định độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung.

Phương pháp giải:

+ Độ lớn của suất điện động cảm ứng: $| e_{c} | = | \frac{Δ Φ}{Δ t} |$

+ Từ thông: $Φ = B S . c o s α$ với: $α = (\vec{n}, \vec{B})$

Lời giải:

Ta có,

+ Diện tích khung dây: $S = a^{2} = {({10.10}^{- 2})}^{2} = 0, 01 m^{2}$

+ Góc hợp bởi $α = (\vec{n}, \vec{B}) = 0^{0} \Rightarrow c o s α = 1$

+ Từ thông qua mạch ban đầu: $Φ_{1} = B_{1} S c o s α = 0.0, 01.1 = 0 W b$

+ Từ thông qua mạch lúc sau: $Φ_{2} = B_{2} S c o s α = 0, 5.0, 01.1 = {5.10}^{- 3} W b$

=> Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung: $| e_{c} | = | \frac{Δ Φ}{Δ t} | = | \frac{Φ_{2} - Φ_{1}}{Δ t} | = | \frac{{5.10}^{- 3} - 0}{0, 05} | = 0, 1 V$

Bài 6 trang 152 SGK Vật lí 11: Một mạch kín tròn (C) bán kính R, đặt trong từ trường đều, trong đó vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ lúc đầu có hướng song song với mặt phẳng chứa (C) (Hình 24.4). Cho (C) quay đều xung quanh trục ∆ cố định đi qua tâm của (C) và nằm trong mặt phẳng chứa (C) ; tốc độ quay là ω không đổi.

Xác định suất điện động cảm ứng cực đại xuất hiện trong (C).

Giải Vật Lí 11 Bài 2: Khí hậu châu Á (ảnh 5)

Phương pháp giải:

+ Từ thông: $Φ = B S . c o s α$

+ Suất điện động cảm ứng: $e_{c} = - \frac{Δ Φ}{Δ t}$

+ Diện tích hình tròn: S = πR2

Lời giải:

Công thức từ thông: $Φ = B S . c o s α$ ; $α = (\vec{n}, \vec{B})$

Cho (C) quay đều xung quanh trục ∆ cố định đi qua tâm của (C) và nằm trong mặt phẳng chứa (C) ; tốc độ quay là ω không đổi => α(t) = ωt

=>Từ thông tại thời điểm t: Φ(t) = BScosωt

Suất điện động cảm ứng: $e_{c} = - \frac{Δ Φ (t)}{Δ t} = - Φ^{'} (t) = ω B S . \sin ω t$

=> Suất điện động cảm ứng cực đại : $e_{C max} = ω B S = ω B (π R^{2})$ .

Lý thuyết Bài 24: Suất điện động cảm ứng

I . SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG MẠCH KÍN

1.Định nghĩa

Sự xuất hiện dòng cảm ứng trong một mạch kín (C) chứng tỏ tồn tài một nguồn điện trong mạch đó. Suất điện động của nguồn này được gọi là suất điện động cảm ứng. Vậy có thể định nghĩa:

Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín.

2. Định luât Fa – ra – đây

Giả sử mạch kín (C) đặt trong một từ trường, từ thông qua mạch biến thiên một đại lượng ∆Φ trong một khoảng thời gian ∆t. Giả sử sự biến thiên từ thông này được thực hiện qua một dịch chuyển nào đó của mạch. Trong dịch chuyển này, lực tương tác tác dụng lên mạch (C) đã sinh ra một công ∆A. Người ta đã chứng minh được rằng ∆A = i∆Φ

Với I là cường độ dòng điện cảm ứng. Theo định luật len – xơ, lực từ tác dụng lên mạch (C) luôn cản trở chuyển động tạo ra biến thiên từ thông. Do đó ∆A là một công cản.Vậy, để thực hiện sự dịch chuyển của (C) (nhằm tạo ra sự biến thiên của Φ) phải có ngoại lực tác dụng lên (C) và trong chuyển dời nói trên, ngoại lực này sinh công thắng công cản của lực từ.

∆A’ = -∆A = -i∆Φ (24.1)

Công ∆A’ có độ lớn bằng tổng phần năng lượng do bên ngoài cung cấp cho mạch (C) và được chuyển hóa thành điện năng của suất điện động cảm ứng ec (tương tự như điện năng do một nguồn điện sản ra) trong khoảng thời gian ∆t.

Theo công thức (7.3) ta có:

∆A’ = eci∆t (24.2)

So sánh hai công thức của ∆A’ ta suy ra công thức của suất điện động cảm ứng:

|ec| = $| \frac{Δ Φ}{Δ t} |$ (24.3)

Nếu chỉ xét độ lớn của ec (không kể dấu) thì :

Thương số $| \frac{Δ Φ}{Δ t} |$ biểu thị độ biến thiên từ thông qua mạch (C) trong một đơn vị thời gian, thương số này được gọi là tốc độ biến thiên từ thông qua mạch. Vậy công thức (24.4) được phát biểu như sau :

Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín đó.

Phát biểu này được gọi là định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ - định luật Fa –ra đây.

Giải Vật Lí 11 Bài 2: Khí hậu châu Á (ảnh 6)

II. SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG VÀ ĐỊNH LUẬT LEN – XƠ

Sự xuất hiện dấu (-)trong công thức (24.3) là để phù hợp với định luật Len – xơ

Trước hết mạch kín (C) phải được định hướng. Dựa vào chiều đã chọn trên (C) , ta chọn chiều pháp tuyến dương để tính từ thông Φ qua mạch kín (C) (Φ là một đại lượng đại số).

Nếu Φ tăng thì ec < 0: chiều của suất điện động cảm ứng (chiều của dòng điện cảm ứng) ngược với chiều của mạch

Nếu Φ giảm thì ec > 0: chiều của suất điện động cảm ứng (chiều của dòng điện cảm ứng) là chiều của mạch

III- QUY TẮC BÀN TAY PHẢI

Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra 900 hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó

Giải Vật Lí 11 Bài 2: Khí hậu châu Á (ảnh 7)

+ Khi mạch được nối kín thì trong mạch có dòng điện cảm ứng iC

+ Bên trong nguồn điện, dòng điện có chiều từ cực âm sang cực dương, bên ngoài thì ngược lại.

IV- BIỂU THỨC SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG ĐOẠN DÂY

$| e_{C} | = B l v \sin θ$

Trong đó:

+ eC : suất điện động cảm ứng của đoạn dây (V)

+ B: cảm ứng từ (T)

+ $l$ : chiều dài đoạn dây (m)

+ v: vận tốc của đoạn dây

+ $θ = (\vec{v}, \vec{B})$

Dây dẫn chuyển động trong từ trường được coi như một nguồn điện. Khi đó, lực lorenxơ tác dụng lên các electron đóng vai trò lực lạ tạo thành dòng điện

V.CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Trong hiện tượng cảm ứng điện từ trên đây, để tạo ra sự biến thiên từ thông qua mạch (C), phải có ngoại lực tác dụng vào (C) và ngoại lực này sinh ra một công cơ học. Công cơ học này làm xuất hiện suất điện động cảm ứng trong mạch, nghĩa là đã tạo ra điện năng. Vậy bản chất của hiện tượng cảm ứng điện từ đã nêu trên là quá trình chuyển hóa cơ năng thành điện năng.

Fa- ra – đây là người đầu tiên khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ và định luật cơ bản về hiện tượng này. Đóng góp của Fa- ra – đây đã mở ra một triển vọng to lớn trong thế kỉ XIX về một phượng thức sản xuất điện năng mới, làm cơ sở cho công cuộc điện khí hóa.

VI- MÁY PHÁT ĐIỆN

- Là ứng dụng quan trọng và quen thuộc của hiện tượng cảm ứng điện từ trong các đoạn dây chuyển động

+ Máy phát điện xoay chiều: