Giáo án Bài 23. Điện trở. Định luật Ôm

Tạo tình huống gợi vấn đề về sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ và vào điện áp; HS nhận thấy điện trở có thể không cố định.

GV bật bóng đèn sợi đốt 12 V – 12 W (hoặc chiếu hình mô phỏng) và yêu cầu HS quan sát độ sáng khi bật nguồn, sau đó hỏi:

• Câu hỏi 1: Khi tăng dần hiệu điện thế đặt vào đèn, độ sáng đèn thay đổi thế nào?
• Câu hỏi 2: Theo em, điện trở của dây tóc đèn có thay đổi khi đèn nóng lên không? Vì sao?
• Câu hỏi 3: Nếu điện trở không đổi, định luật Ôm $I = \dfrac{U}{R}$ sẽ cho kết luận gì về đồ thị I theo U?
  HS ghi dự đoán cá nhân vào vở, sau đó chia nhóm 4 để thảo luận.

Dự đoán ban đầu của HS, ví dụ: “Đèn sáng dần khi U tăng; dây tóc nóng lên nên điện trở có thể tăng; nếu R không đổi thì đồ thị I–U là đường thẳng qua gốc.” GV ghi các dự đoán lên bảng để kiểm chứng ở các hoạt động sau. Nhiệm vụ học tập được xác định: tìm hiểu mối quan hệ giữa I và U, và điều kiện để điện trở coi là không đổi.

Phát biểu được định nghĩa điện trở $R = \dfrac{U}{I}$ và định luật Ôm; mô tả được đặc tuyến I–U của vật dẫn ohmic qua mô phỏng dây constantan.

HS làm việc theo nhóm 4 với mô phỏng 3D trong trang bài học NeoEdu. Nhiệm vụ:

• Vặn núm nguồn từ 0 đến 12 V, đọc ampe kế (mắc nối tiếp) và vôn kế (mắc song song) tại ít nhất 6 giá trị U.
• Ghi số liệu vào Phiếu học tập số 1, phần A.
• Tính tỉ số $\dfrac{U}{I}$ cho mỗi lần đo, nhận xét độ lớn của tỉ số.
• Vẽ đồ thị I theo U, nhận xét dạng đồ thị và độ dốc.
  Câu hỏi GV đặt ra: (1) Tỉ số $\dfrac{U}{I}$ có thay đổi khi U thay đổi không? (2) Đồ thị có đi qua gốc tọa độ không? (3) Độ dốc của đồ thị bằng gì?

Bảng số liệu mẫu (dây constantan): các cặp U–I cho $\dfrac{U}{I} = 10\ \Omega$ với mọi lần đo, nên $R = 10\ \Omega$ không đổi.
Đặc tuyến I–U là đường thẳng qua gốc O, độ dốc bằng $\dfrac{1}{R}$.
Kết luận HS rút ra: Điện trở là đại lượng đặc trưng cho mức cản trở dòng điện, $R = \dfrac{U}{I}$, đơn vị $\Omega$. Định luật Ôm: ở nhiệt độ không đổi, $I$ tỉ lệ thuận với $U$, $I = \dfrac{U}{R}$. Vật dẫn tuân theo định luật Ôm gọi là vật dẫn ohmic.

Nêu được nguyên nhân gây điện trở; vận dụng được $R = \rho\dfrac{l}{S}$ và $\rho = \rho_0[1 + \alpha(t - t_0)]$; mô tả được đặc tuyến của đèn sợi đốt và điện trở nhiệt NTC.

HS làm việc theo cặp đôi, quan sát mô phỏng phóng to bên trong dây dẫn và mô phỏng đèn sợi đốt, điện trở NTC, hoàn thành Phiếu học tập số 2:

• Mô tả hiện tượng electron tự do va chạm với ion trong mạng tinh thể.
• So sánh chiều dài và tiết diện của dây khi thay đổi, tính R mới theo $R = \rho\dfrac{l}{S}$.
• Quan sát đặc tuyến đèn 12 V – 12 W: nêu điện trở khi đèn nguội và khi sáng bình thường, nhận xét dạng đường cong.
• Quan sát điện trở NTC: nhận xét R thay đổi thế nào khi nóng lên và dạng đường I–U.
  Câu hỏi GV đặt ra: Vì sao dây dài gấp đôi thì điện trở gấp đôi? Vì sao sợi vônfram nóng làm đường I–U cong xuống?

Nguyên nhân gây điện trở: electron chuyển động có hướng bị cản trở khi va chạm với ion dương của mạng tinh thể.
Công thức: $R = \rho\dfrac{l}{S}$; dây dài gấp đôi, cùng $S$ và vật liệu thì $R$ gấp đôi. Khi kéo giãn dây, thể tích bảo toàn nên $S$ giảm, phải tính lại $R$.
Điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ: $\rho = \rho_0[1 + \alpha(t - t_0)]$.
Đèn 12 V – 12 W: sợi vônfram nóng tới khoảng 2 460 °C, $R$ tăng từ 1 $\Omega$ lên 12 $\Omega$; đặc tuyến I–U cong xuống, không phải đường thẳng.
Điện trở nhiệt NTC: $R$ giảm khi nóng lên; đặc tuyến I–U cong lên.
Kết luận: Điện trở vật dẫn kim loại tăng khi nhiệt độ tăng; điện trở của một số linh kiện thay đổi mạnh theo nhiệt độ (điện trở nhiệt).

Vẽ được đồ thị I–U của điện trở và bóng đèn; tính được điện trở từ số liệu đo; thực hiện đúng quy tắc an toàn khi làm thí nghiệm với nguồn điện.

HS làm theo nhóm 4 (thí nghiệm thật nếu có thiết bị, hoặc thí nghiệm ảo “Định luật Ôm: đo U và I trên điện trở R1”). Nhiệm vụ trong Phiếu học tập số 1 (phần B):

• Mắc mạch: nguồn điều chỉnh được, ampe kế nối tiếp, vôn kế song song với điện trở.
• Đo I ứng với U = 2 V, 4 V, 6 V, 8 V, 10 V, 12 V (hoặc theo hướng dẫn ảo).
• Tính $R = \dfrac{U}{I}$ cho từng lần đo, vẽ đặc tuyến I–U của điện trở và của bóng đèn trên cùng hệ trục.
  Quy tắc an toàn: ngắt nguồn trước khi đổi dây; không chạm tay vào điện trở đang nóng; luôn bắt đầu với hiệu điện thế nhỏ.

Bảng số liệu mẫu cho điện trở: U = 2, 4, 6 V; I = 0,1; 0,2; 0,3 A; $R = \dfrac{U}{I} = 20\ \Omega$ cho cả ba lần đo.
Đồ thị I–U của điện trở là đường thẳng qua gốc O; đồ thị của bóng đèn là đường cong cong xuống.
HS rút ra: đo U và I, tính R và vẽ đặc tuyến cho thấy vật dẫn ohmic có R không đổi trong khoảng đo, còn đèn sợi đốt có R tăng theo nhiệt độ.

Vận dụng được $R = \dfrac{U}{I}$, $R = \rho\dfrac{l}{S}$ và đặc tuyến I–U để giải các bài tập định lượng và định tính.

HS làm Phiếu học tập số 3 theo cặp đôi, gồm 8 câu. Hai bạn trong cặp đối chiếu đáp án sau khi làm xong từng câu; GV chữa nhanh các câu khó.
Câu hỏi GV đặt ra: Vì sao điện trở của dây không đổi khi U thay đổi? Vì sao khi giải bài toán thay đổi chiều dài dây, $R$ tỉ lệ thuận với $l$ còn $S$ thì tỉ lệ nghịch?

Đề và đáp án:

1. U = 12 V, R = 6 Ω; tính I. Đáp án: I = 2 A.
2. U = 9 V, I = 0,3 A; tính R. Đáp án: R = 30 Ω.
3. R ban đầu 5 Ω, chiều dài tăng 2 lần, cùng S và ρ. Đáp án: R mới = 10 Ω, vì R tỉ lệ với l.
4. R ban đầu 12 Ω, tiết diện tăng 3 lần, cùng l và ρ. Đáp án: R mới = 4 Ω, vì R tỉ lệ nghịch với S.
5. Độ dốc đồ thị I theo U của điện trở ohmic bằng: A. 1/R; B. R; C. ρ; D. L. Đáp án: A, vì I = U/R nên hệ số góc là 1/R.
6. Về điện trở: a) Ôm có đơn vị V/A: Đúng; b) Dây dài hơn, cùng vật liệu, S: R lớn hơn: Đúng; c) Mọi bóng đèn có R không đổi khi tăng U: Sai; d) Nhiệt độ có thể làm ρ thay đổi: Đúng (đèn dây tóc nóng lên làm R đổi).
7. Để khảo sát định luật Ôm cần giữ điều kiện gần ổn định nào? A. Thời điểm đo trong ngày; B. Chiều dài dây nối ngoài vật dẫn; C. Nhiệt độ của vật dẫn; D. Thời gian đo càng dài càng tốt. Đáp án: C, vì nhiệt độ thay đổi làm R đổi.
8. Cho U = 2, 4, 6 V và I = 0,1; 0,2; 0,3 A. Tìm R và đánh giá mô hình. Đáp án: ba tỉ số U/I đều bằng 20 Ω; đồ thị I–U qua gốc có độ dốc 0,05 A/V; dữ liệu phù hợp vật dẫn ohmic trong khoảng xét, nhưng chưa đủ để kết luận cho mọi nhiệt độ và hiệu điện thế.

Vận dụng kiến thức về điện trở nhiệt và định luật Ôm để giải thích nguyên lí hoạt động của cảm biến nhiệt độ và ấm điện trong đời sống.

GV nêu tình huống: Một ấm điện có dây đốt, khi nối vào nguồn 12 V (dùng số liệu bài tập 1) dòng điện qua dây là 2 A với điện trở 6 Ω; một cảm biến nhiệt độ dùng điện trở NTC.
HS trả lời các câu hỏi:

• Vì sao dây đốt nóng lên khi có dòng điện chạy qua?
• Nếu điện trở NTC giảm khi nhiệt độ tăng, vì sao có thể dùng NTC để đo nhiệt độ?
  Nhiệm vụ về nhà: Tìm hiểu một thiết bị điện trong gia đình có dùng điện trở nhiệt, mô tả nguyên lí hoạt động dựa trên định luật Ôm và đặc tuyến I–U.

Dây đốt của ấm điện nóng lên vì khi có dòng điện chạy qua, điện năng chuyển thành nhiệt năng trong dây có điện trở; với $I = 2\ \mathrm{A}$, $R = 6\ \Omega$ thì dây có dòng điện không đổi theo định luật Ôm khi nhiệt độ ổn định.
Cảm biến NTC: khi nhiệt độ thay đổi, điện trở R thay đổi mạnh; đo được I hoặc U rồi tính R, từ đó suy ra nhiệt độ.
Kết luận: điện trở nhiệt được ứng dụng trong cảm biến nhiệt độ; dây đốt nóng của ấm điện dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện qua vật dẫn có điện trở.