Giáo án Bài 26. Thực hành: Đo suất điện động và điện trở trong của pin điện hoá

a) Nhận thấy hiệu điện thế hai cực pin phụ thuộc vào dòng điện chạy qua pin; từ đó xác định nhiệm vụ đo $\mathcal{E}$ và r.

GV nêu tình huống: Hai pin cùng loại, khi để hở mạch vôn kế đều chỉ $1{,}50\ \mathrm{V}$. Khi nối mỗi pin với cùng một bóng đèn, bóng đèn nối với pin cũ sáng yếu hơn.
Câu hỏi 1: Vì sao số chỉ vôn kế khi hở mạch giống nhau mà đèn sáng lại khác nhau?
Câu hỏi 2: Bên trong pin có điều gì làm hiệu điện thế giảm khi có dòng điện?
Câu hỏi 3: Làm thế nào để xác định được hai đại lượng đặc trưng cho pin?

Hiệu điện thế hai cực pin giảm khi có dòng điện chạy qua vì pin có điện trở trong r; khi hở mạch, hiệu điện thế đo được bằng suất điện động $\mathcal{E}$. Nhiệm vụ của bài: đo $\mathcal{E}$ và r của pin bằng vôn kế, ampe kế và vẽ đồ thị U–I.

a) Thiết lập được phương trình $U = \mathcal{E} - Ir$ từ định luật Ôm cho toàn mạch và nêu được cách mắc các dụng cụ đo.

HS quan sát sơ đồ mạch: pin, khoá K, biến trở R, điện trở bảo vệ $R_0 = 4\ \Omega$ mắc nối tiếp với ampe kế; vôn kế mắc song song với hai cực pin.
Nhiệm vụ 1: Viết hiệu điện thế hai cực pin theo $\mathcal{E}$, I và r.
Nhiệm vụ 2: Nếu coi U là hàm của I thì đồ thị U–I có dạng gì? Tung độ gốc và độ dốc cho biết đại lượng nào?
Nhiệm vụ 3: Vì sao phải mắc $R_0$ và vì sao khi đo phải đóng khoá K chỉ trong lúc đọc số?

Phương trình: $U = \mathcal{E} - Ir$ (hiệu điện thế hai cực pin bằng suất điện động trừ đi độ sụt áp trên điện trở trong).
Đồ thị U–I là đường thẳng: tung độ gốc (tại I = 0) bằng $\mathcal{E}$; độ dốc bằng −r, nên r bằng độ lớn của độ dốc.
$R_0$ hạn chế dòng điện, tránh đoản mạch; khoá K chỉ đóng khi đọc số để pin không nóng và không bị phân cực, làm thông số thay đổi.

a) Lắp mạch đúng, đo được ít nhất 5 cặp giá trị (I; U) của pin và ghi số liệu trung thực, có kiểm soát an toàn.

Nhóm lắp mạch theo sơ đồ đã thảo luận, kiểm tra chiều mắc ampe kế và vôn kế, đặt biến trở ở giá trị lớn nhất (20 $\Omega$).
Nhiệm vụ: Đóng khoá K, giảm dần R để dòng I tăng; mỗi lần đọc số ampe kế và vôn kế rồi mở K. Ghi đủ 5 cặp (I; U) vào bảng ở Phiếu học tập số 1. Ví dụ tham khảo để so sánh: (0,10 A; 1,40 V), (0,20 A; 1,30 V), (0,30 A; 1,20 V).
Nếu lớp không đủ bộ thí nghiệm thật, các nhóm dùng mô phỏng NeoEdu (R₀ = 4 Ω, biến trở 0–20 Ω) để ghi 5 cặp số liệu theo cùng quy trình.
Làm theo Phiếu học tập số 1.

Bảng 5 cặp giá trị (I; U) của nhóm, trong đó I tăng dần và U giảm dần. Ví dụ đối chiếu: I = 0,10 A thì U = 1,40 V; I = 0,30 A thì U = 1,20 V.
Biên bản an toàn: mở K sau mỗi lần đọc số, không để pin đoản mạch.

a) Vẽ được đồ thị U–I từ số liệu thực nghiệm và xác định được $\mathcal{E}$ và r.

Nhóm chọn tỉ xích phù hợp, đặt trục hoành là I (A), trục tung là U (V), biểu diễn các điểm (I; U) và vẽ đường thẳng đi qua các điểm.
Nhiệm vụ 1: Xác định $\mathcal{E}$ từ giao điểm của đường thẳng với trục U.
Nhiệm vụ 2: Tính độ dốc $\dfrac{\Delta U}{\Delta I}$ từ hai điểm trên đường thẳng, suy ra r.
Nhiệm vụ 3: Điền kết quả vào Phiếu học tập số 1, so sánh với đáp số tham khảo.

Đồ thị U–I là đường thẳng giảm dần. Với số liệu tham khảo: độ dốc $\dfrac{\Delta U}{\Delta I} = \dfrac{1{,}20 - 1{,}40}{0{,}30 - 0{,}10} = -1\ \mathrm{V/A}$ nên $r = 1\ \Omega$; tung độ gốc $\mathcal{E} = 1{,}40 + 0{,}10 \times 1 = 1{,}50\ \mathrm{V}$.
Kết quả nhóm: ghi $\mathcal{E}$ và r theo đơn vị V và $\Omega$, kèm nhận xét về độ phân tán của các điểm.

a) Vận dụng phương trình $U = \mathcal{E} - Ir$ và cách đọc đồ thị U–I để trả lời câu hỏi, tính đại lượng và nhận biết các điều kiện đo an toàn.

GV chiếu lần lượt các câu hỏi. Các nhóm thảo luận nhanh (2 phút/câu), giơ bảng trả lời. Đề:

1. I tăng từ 0,10 A lên 0,30 A, U giảm từ 1,40 V xuống 1,20 V. Độ dốc U–I bằng bao nhiêu V/A?
2. Độ dốc U–I là −1 V/A. Tính r.
3. U = 1,30 V, I = 0,20 A, r = 1 Ω. Tính $\mathcal{E}$.
4. $\mathcal{E}$ = 1,5 V, r = 1 Ω, I = 0,4 A. Dự đoán U.
5. Trên đồ thị U–I, tung độ tại I = 0 cho đại lượng nào? A. Điện lượng; B. Suất điện động; C. Điện trở trong; D. Công suất tải.
6. Đúng hay sai: a) Không dùng ohm kế đo trực tiếp pin đang có điện; b) Cần hạn dòng và tránh đoản mạch; c) Đóng mạch càng lâu càng tốt để pin nóng; d) Nên dùng nhiều cặp số liệu.
7. Đồ thị U–I giảm theo I, dấu của điện trở trong r là gì? A. Âm vì điện áp giảm; B. Bằng không dù độ dốc khác không; C. Bằng nghịch đảo độ lớn độ dốc; D. Dương vì r bằng đối của độ dốc.
8. Dữ liệu mẫu (I; U) = (0,1 A; 1,45 V) và (0,3 A; 1,35 V). Tính r, $\mathcal{E}$ và nêu một giới hạn của kết quả.

Đáp án:

1. −1 V/A, vì $\dfrac{1{,}20 - 1{,}40}{0{,}30 - 0{,}10} = -1$.
2. r = 1 Ω, vì độ dốc bằng −r.
3. $\mathcal{E}$ = 1,30 + 0,20 × 1 = 1,50 V.
4. U = 1,5 − 0,4 × 1 = 1,1 V.
5. Đáp án B: suất điện động, vì U(0) = $\mathcal{E}$.
6. a) Đúng; b) Đúng; c) Sai, phải mở mạch giữa các lần đo vì pin nóng và phân cực làm thông số thay đổi; d) Đúng.
7. Đáp án D: r = −(độ dốc) nên độ dốc âm cho r dương.
8. r = −(1,35 − 1,45)/(0,3 − 0,1) = 0,5 Ω; $\mathcal{E}$ = 1,45 + 0,1 × 0,5 = 1,50 V. Giới hạn: chỉ có hai điểm nên không đánh giá được độ phân tán; cần đo thêm, ghi sai số đồng hồ và tránh pin nóng.

a) Vận dụng kết quả đồ thị U–I để so sánh pin mới và pin cũ, giải thích vì sao pin cũ cho hiệu điện thế giảm mạnh khi có tải và đề xuất lựa chọn pin phù hợp.

Các nhóm mở mô phỏng 3D tương tác trong trang bài học NeoEdu, mắc pin với R₀ = 4 Ω, ampe kế, biến trở và khoá K. Lần 1: pin mới (r ≈ 1 Ω); lần 2: pin cũ (r ≈ 6 Ω). Mỗi lần giảm R từ 20 Ω về 0, ghi 5 cặp (I; U), vẽ đồ thị và xác định $\mathcal{E}$, r.
Câu hỏi: (1) Hai pin có cùng $\mathcal{E}$ không? (2) Pin nào giảm U nhiều hơn khi I tăng? Vì sao? (3) Nếu bỏ R₀ và đưa R về 0 thì điều gì xảy ra với I và U? Vì sao phải có R₀?
Nhiệm vụ mở rộng: Một thiết bị cần dòng lớn ổn định nên chọn pin nào? Giải thích bằng r.

Cả hai pin đều có $\mathcal{E}$ ≈ 1,5 V, nhưng pin cũ có r ≈ 6 Ω lớn hơn pin mới r ≈ 1 Ω. Khi I tăng, U của pin cũ giảm nhanh hơn vì độ sụt áp Ir lớn hơn.
Khi bỏ R₀ và đoản mạch: I = $\mathcal{E}$/r = 1,5 A (pin mới) và U ≈ 0, nên pin nóng và hỏng; do đó phải có R₀ để hạn dòng.
Kết luận: Thiết bị cần dòng lớn nên dùng pin có r nhỏ (pin mới); pin cũ không phù hợp dù $\mathcal{E}$ vẫn gần 1,5 V.